JP6592055B2 - New separator for electrochemical systems - Google Patents
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Description
本発明は、電気化学システムの新規セパレータに関する。 The present invention relates to a novel separator for electrochemical systems.
[関連出願の相互参照]
本願は、2011年7月11日付けで出願された米国仮出願第61/506,489号及び2012年4月10日付けで出願された米国仮出願第61/622,371号の利益及び優先権を主張し、上記出願それぞれの全体を参照により本明細書に援用する。
[Cross-reference of related applications]
This application claims the benefit and priority of US provisional application 61 / 506,489 filed July 11, 2011 and US provisional application 61 / 622,371, filed April 10, 2012. And claims are hereby incorporated by reference in their entirety.
過去数十年にわたり、電気化学蓄電・変換装置は革命的な進歩を遂げ、携帯用電子装置、航空機及び宇宙機技術、乗用車、及び生体計測を含むさまざまな分野でのこれらのシステムの能力を広げてきた。最新の電気化学蓄電・変換装置は、広範囲の適用要件及び動作環境との適合性を提供するよう特別に設計された設計及び性能属性を有する。例えば、植え込み型医療装置用の非常に低い自己放電率及び高い放電信頼性を示す高エネルギー密度電池から、広範囲の携帯用電子装置用の長い実行時間を提供する安価な軽量充電式電池、そして短期間に極めて高い放電率を提供することが可能な軍事及び航空宇宙用途用の高容量電池にわたる、高度電気化学蓄電システムが開発されてきた。 Over the past decades, electrochemical storage and conversion devices have made revolutionary advances, expanding the capabilities of these systems in various fields, including portable electronic devices, aircraft and spacecraft technology, passenger cars, and biometrics. I came. Modern electrochemical storage and conversion devices have design and performance attributes that are specifically designed to provide compatibility with a wide range of application requirements and operating environments. For example, from low energy self-discharge rates for implantable medical devices and high energy density batteries with high discharge reliability, to low-cost lightweight rechargeable batteries that provide long run times for a wide range of portable electronic devices, and short-term Advanced electrochemical storage systems have been developed that span high capacity batteries for military and aerospace applications that can provide extremely high discharge rates in between.
この多様な高度電子機械蓄電・変換システムの開発及び幅広い採用にもかかわらず、これらのシステムの機能性を拡張するための研究を促進することにより、さらに広範囲の装置用途を可能にする必要に迫られている。例えば、高出力携帯用電子製品に対する需要の大きな伸びから、より高いエネルギー密度を提供する安全で軽量の一次電池及び二次電池の開発が大きな関心を生んでいる。さらに、家庭用電化製品及び計器の分野における小型化に対する需要が、高性能電池のサイズ、質量、及びフォームファクタを低減するための新規設計及び材料戦略の研究を促進し続けている。さらに、電気自動車及び航空宇宙工学の分野の継続的な発展も、有効範囲の動作環境で良好な装置性能を可能にする機械的に堅牢な、高信頼性の、高エネルギー密度及び高パワー密度の電池の必要性を生んでいる。 Despite the development and widespread adoption of this diverse range of advanced electromechanical storage and conversion systems, the need to enable a wider range of device applications by facilitating research to expand the functionality of these systems. It has been. For example, due to the large growth in demand for high-power portable electronic products, the development of safe and lightweight primary and secondary batteries that provide higher energy density has generated great interest. In addition, the demand for miniaturization in the field of consumer electronics and instrumentation continues to promote research on new designs and material strategies to reduce the size, mass, and form factor of high performance batteries. In addition, the continued development in the field of electric vehicles and aerospace engineering is also a mechanically robust, reliable, high energy density and high power density enabling good equipment performance in the operating range of operation. It creates the need for batteries.
電気化学蓄電・変換技術における最近の多くの進歩は、電池コンポーネントの新たな材料の発見及び組み込みに直接起因する。例えば、リチウム電池技術は、少なくとも一部はこれらのシステムの新規電極及び電解質材料の発見に起因して、急速な発展を続けている。リチウム元素は、電気化学セルでのその使用を魅力的にする独特な特性の組み合わせを有する。第1に、これは、周期表において最も軽い金属であり、原子質量6.94AMUを有する。第2に、リチウムは、非常に低い電気化学酸化/還元電位(すなわち、NHE(標準水素電極)に対して−3.045V)を有する。この独特な特性の組み合わせにより、リチウム系電気化学セルは非常に大きな比容量を有することができる。最新のリチウムイオン二次電池は、優れた充放電特性をもたらし、したがって携帯電話及びポータブルコンピュータ等の携帯用電子装置の電源としても幅広く採用されている。全体を参照により本明細書に援用する特許文献1、特許文献2、特許文献3、及び非特許文献1は、リチウム電池システム及びリチウムイオン電池システムを対象としたものである。 Many recent advances in electrochemical storage and conversion technology are directly attributable to the discovery and incorporation of new materials for battery components. For example, lithium battery technology continues to develop rapidly, at least in part due to the discovery of new electrodes and electrolyte materials in these systems. Elemental lithium has a unique combination of properties that make it attractive for use in electrochemical cells. First, it is the lightest metal in the periodic table and has an atomic mass of 6.94 AMU. Second, lithium has a very low electrochemical oxidation / reduction potential (ie, -3.045 V relative to NHE (standard hydrogen electrode)). This unique combination of properties allows lithium-based electrochemical cells to have very large specific capacities. The latest lithium ion secondary batteries provide excellent charge / discharge characteristics and are therefore widely used as power sources for portable electronic devices such as mobile phones and portable computers. Patent document 1, patent document 2, patent document 3, and non-patent document 1, which are incorporated herein by reference in their entirety, are directed to lithium battery systems and lithium ion battery systems.
電極物質、電解質組成物、及び装置の幾何学的形状の進歩は、Li系電気化学システムのさらなる開発を支援し続けている。例えば、2012年3月29日付けで公開された特許文献4及び2012年3月15日付けで公開された特許文献5は、リチウム電池を含む電気化学システムの3次元電極アレイ構造を開示している。 Advances in electrode material, electrolyte composition, and device geometry continue to support further development of Li-based electrochemical systems. For example, Patent Literature 4 published on March 29, 2012 and Patent Literature 5 published on March 15, 2012 disclose a three-dimensional electrode array structure of an electrochemical system including a lithium battery. Yes.
実質的な進歩にもかかわらず、Li系電気化学システムの継続的な開発に関連して現実的な課題が残る。例えば、重要な問題は、一次及び二次リチウム及びリチウムイオン電池におけるデンドライト形成に関するものである。多くの電解質中でのLi析出はデンドライト傾向が強く、それによりこれらのシステムには短絡、機械的破損、及び熱暴走を含む問題が起こりやすいことが、概して知られている。デンドライト形成に関する安全上の懸念が、目下、充電式システムにおける金属Liアノードの実装を妨げる障壁となっている。特に二次電池に関連して、デンドライト形成に関連した安全性に取り組むために、非リチウムアノードとデンドライト形成に関連した問題をリアルタイムで監視可能な内部安全システムとの開発を含む多くの戦略が追求されている。 Despite substantial progress, practical challenges remain in connection with the continued development of Li-based electrochemical systems. For example, an important issue relates to dendrite formation in primary and secondary lithium and lithium ion batteries. It is generally known that Li deposition in many electrolytes has a strong dendrite tendency and is prone to problems with these systems including short circuits, mechanical failure, and thermal runaway. Safety concerns regarding dendrite formation currently present a barrier that prevents the mounting of metallic Li anodes in rechargeable systems. Many strategies pursued, including the development of non-lithium anodes and internal safety systems that can monitor problems related to dendrite formation in real time to address the safety related to dendrite formation, particularly in the context of secondary batteries Has been.
上記から概して認識されるように、一定範囲の用途に有用な電気化学特性を示すリチウム系電気化学システムが目下必要とされている。具体的には、一次リチウム系電池及び二次リチウム系電池の両方で良好な電気化学性能及び高い多用性を可能にするリチウム電気化学システムが必要である。 As generally recognized from the above, there is a current need for lithium-based electrochemical systems that exhibit useful electrochemical properties for a range of applications. Specifically, there is a need for a lithium electrochemical system that enables good electrochemical performance and high versatility in both primary and secondary lithium batteries.
一態様では、本発明は、一定範囲の電気化学蓄電・変換用途に有用な電子特性、機械特性、及び化学特性を提供する電気化学システム用のセパレータシステムを提供する。いくつかの実施形態のセパレータシステムは、例えば、電気化学セルの壊損の防止に有用であり且つサイクル寿命及びエネルギー及び電力等の性能を高めるのに有用な、構造的、物理的、及び静電的特質を提供する。一連の例は、リチウム系電池、アルカリ系電池、亜鉛系電池、及び鉛系電池等の金属系電池におけるデンドライト形成を管理及び制御するセパレータである。一実施形態では、例えば、本発明のセパレータシステムは、優れたイオン輸送特性を支援すると同時にデンドライトが引き起こす機械的破損、電子的内部短絡及び/又は熱暴走を防止するのに有効な障壁を提供する、多層で多孔質の幾何学的形状を有する。別の一連の例は、複数の多孔質/有孔層と不透過性だがイオン選択性の導電膜とからなる多層セパレータであり、多孔質層がデンドライト短絡故障及び/又は熱暴走等の内部短絡故障を防止するのに有効な障壁を提供し、膜層がアノードに隣接した電解質をカソードに隣接した電解質から分離するのに有効な障壁を提供して、電極及びそれらの表面及びそれらの電解質の汚染を防止することで、エネルギー、パワー、及びライフサイクル等のセルの性能を高めることができる。これは、金属空気及びフロー電池及び半固体電池で特に有用であり、いくつかの例は、リチウム−空気セル、リチウム水セル、及び亜鉛−空気セルである。 In one aspect, the present invention provides a separator system for an electrochemical system that provides electronic, mechanical, and chemical properties useful for a range of electrochemical storage and conversion applications. Some embodiments of separator systems are structural, physical, and electrostatic that are useful, for example, in preventing electrochemical cell breakage and useful in enhancing cycle life and performance such as energy and power. Provide a special quality. A series of examples are separators that manage and control dendrite formation in metallic batteries such as lithium batteries, alkaline batteries, zinc batteries, and lead batteries. In one embodiment, for example, the separator system of the present invention provides an effective barrier to help mechanical properties, electronic internal shorts and / or thermal runaway caused by dendrites while supporting superior ion transport properties. , Having a multi-layered and porous geometric shape. Another set of examples is a multi-layer separator consisting of multiple porous / porous layers and an impermeable but ion-selective conductive film, where the porous layer is an internal short circuit such as a dendrite short circuit failure and / or thermal runaway. Provide an effective barrier to prevent failure, and the membrane layer provides an effective barrier to separate the electrolyte adjacent to the anode from the electrolyte adjacent to the cathode, and the electrodes and their surfaces and their electrolytes; By preventing contamination, cell performance such as energy, power, and life cycle can be enhanced. This is particularly useful with metal air and flow batteries and semi-solid batteries, some examples being lithium-air cells, lithium water cells, and zinc-air cells.
一実施形態では、本発明は、電気化学システム用のセパレータシステムであって、(i)第1高機械強度層であり、第1高機械強度層を貫通して第1パターンで設けた複数の開口を有する第1高機械強度層と、(ii)第2高機械強度層であり、第2高機械強度層を貫通して第2パターンで設けた複数の開口を有し、第2パターンは、第1高機械強度層から第2高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第1高機械強度層の開口と第2高機械強度層の開口との重なりが20%以下であるように第1パターンに対してオフセット配列を有する第2高機械強度層とを備え、第1高機械強度層及び第2高機械強度層は、第1高機械強度層及び第2高機械強度層に接触して設けた電解質のイオンを第1高機械強度層及び第2高機械強度層を通して輸送可能であるように位置決めされる、セパレータシステムを提供する。一実施形態では、例えば、第1高機械強度層及び第2高機械強度層は、相互に直接物理的に接触していない。この態様の実施形態では、第1高機械強度層から第2高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第1高機械強度層の開口と第2高機械強度層の開口との重なりは、10%以下である。一実施形態では、例えば、本発明のセパレータシステムは、第1高機械強度層と第2高機械強度層との間に、任意に第1高機械強度層又は第2高機械強度層又はこれら両方に接触して設けた1つ又は複数の電解質をさらに備え、第1高機械強度層及び第2高機械強度層は、イオン伝動性であり、電気化学システムの電解質の輸送を任意に可能にする。 In one embodiment, the present invention is a separator system for an electrochemical system, comprising: (i) a first high mechanical strength layer, and a plurality of layers provided in a first pattern through the first high mechanical strength layer A first high mechanical strength layer having an opening; and (ii) a second high mechanical strength layer having a plurality of openings provided in a second pattern penetrating the second high mechanical strength layer. The overlap of the opening of the first high mechanical strength layer and the opening of the second high mechanical strength layer along the axis extending vertically from the first high mechanical strength layer to the second high mechanical strength layer is 20% or less. A second high mechanical strength layer having an offset arrangement with respect to the first pattern, wherein the first high mechanical strength layer and the second high mechanical strength layer are in contact with the first high mechanical strength layer and the second high mechanical strength layer. The electrolyte ions provided through the first high mechanical strength layer and the second high mechanical strength layer Is positioned such that the ability to provide a separator system. In one embodiment, for example, the first high mechanical strength layer and the second high mechanical strength layer are not in direct physical contact with each other. In an embodiment of this aspect, the overlap of the opening of the first high mechanical strength layer and the opening of the second high mechanical strength layer along an axis extending perpendicularly from the first high mechanical strength layer to the second high mechanical strength layer is: 10% or less. In one embodiment, for example, the separator system of the present invention may include a first high mechanical strength layer, a second high mechanical strength layer, or both, between the first high mechanical strength layer and the second high mechanical strength layer. One or more electrolytes disposed in contact with the first and second high mechanical strength layers, wherein the first high mechanical strength layer and the second high mechanical strength layer are ionically conductive, optionally allowing transport of the electrolyte in the electrochemical system .
一実施形態では、本発明は、電気化学システム用のセパレータシステムであって、(i)第1高機械強度層であり、第1高機械強度層を貫通して第1パターンで設けた複数の開口を有する第1高機械強度層と、(ii)第2高機械強度層であり、第2高機械強度層を貫通して第2パターンで設けた複数の開口を有し、第2パターンは、第1高機械強度層から第2高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第1高機械強度層の開口と第2高機械強度層の開口との重なりが20%以下であるように第1パターンに対してオフセット配列を有する第2高機械強度層と、(iii)第3高機械強度層であり、第3高機械強度層を貫通して第1パターンと同じ空間的開口配置を有する第3パターンで設けた複数の開口を有する第3高機械強度層とを備え、第1高機械強度層、第2高機械強度層、及び第3高機械強度層は、第1高機械強度層、第2高機械強度層、及び第3高機械強度層に接触して設けた電解質のイオンを第1高機械強度層、第2高機械強度層、及び第3高機械強度層を通して輸送可能であるように位置決めされるセパレータシステムを提供する。この態様の一実施形態では、第1高機械強度層から第2高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第1高機械強度層の開口と第2高機械強度層の開口との重なりは、10%以下である。この説明を通して用いられる場合、「同じ空間的開口配置」は、2つ以上の高機械強度層の開口が高機械強度層間に垂直に延びる軸に沿って配列されるようにしたこれらの位置を指す。一実施形態では、例えば、「同じ空間的開口配置」は、2つ以上の高機械強度層の開口が高機械強度層間に垂直に延びる軸に沿って90%以上重なるようにしたこれらの位置を指す。 In one embodiment, the present invention is a separator system for an electrochemical system, comprising: (i) a first high mechanical strength layer, and a plurality of layers provided in a first pattern through the first high mechanical strength layer A first high mechanical strength layer having an opening; and (ii) a second high mechanical strength layer having a plurality of openings provided in a second pattern penetrating the second high mechanical strength layer. The overlap of the opening of the first high mechanical strength layer and the opening of the second high mechanical strength layer along the axis extending vertically from the first high mechanical strength layer to the second high mechanical strength layer is 20% or less. A second high mechanical strength layer having an offset arrangement with respect to the first pattern; and (iii) a third high mechanical strength layer, having the same spatial aperture arrangement as the first pattern through the third high mechanical strength layer. A third high mechanical strength layer having a plurality of openings provided in a third pattern having The first high mechanical strength layer, the second high mechanical strength layer, and the third high mechanical strength layer were provided in contact with the first high mechanical strength layer, the second high mechanical strength layer, and the third high mechanical strength layer. A separator system is provided that is positioned such that electrolyte ions can be transported through a first high mechanical strength layer, a second high mechanical strength layer, and a third high mechanical strength layer. In one embodiment of this aspect, the overlap of the opening of the first high mechanical strength layer and the opening of the second high mechanical strength layer along an axis extending perpendicularly from the first high mechanical strength layer to the second high mechanical strength layer is: 10% or less. As used throughout this description, “same spatial aperture arrangement” refers to those locations where the openings of two or more high mechanical strength layers are arranged along an axis extending perpendicularly between the high mechanical strength layers. . In one embodiment, for example, “same spatial aperture arrangement” refers to those locations where two or more high mechanical strength layer openings overlap 90% or more along an axis extending perpendicularly between the high mechanical strength layers. Point to.
一実施形態では、本発明は、電気化学システム用のセパレータシステムであって、(i)第1高機械強度層であり、第1高機械強度層を貫通して第1パターンで設けた複数の開口を有する第1高機械強度層と、(ii)第2高機械強度層であり、第2高機械強度層を貫通して第2パターンで設けた複数の開口を有し、第2パターンは、第1高機械強度層から第2高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第1高機械強度層の開口と第2高機械強度層の開口との重なりが20%以下であるように第1パターンに対してオフセット配列を有する第2高機械強度層と、(iii)第3高機械強度層であり、第3高機械強度層を貫通して第1パターンと同じ空間的開口配置を有する第3パターンで設けた複数の開口を有する第3高機械強度層と、(iv)第4高機械強度層であり、第4高機械強度層を貫通して第2パターンと同じ空間的開口配置を有する第4パターンで設けた複数の開口を有する第4高機械強度層とを備え、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、及び第4高機械強度層は、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、及び第4高機械強度層に接触して設けた電解質のイオンを第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、及び第4高機械強度層を通して輸送可能であるように位置決めされるセパレータシステムを提供する。この態様の一実施形態では、第1高機械強度層から第2高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第1高機械強度層の開口と第2高機械強度層の開口との重なりは、10%以下である。 In one embodiment, the present invention is a separator system for an electrochemical system, comprising: (i) a first high mechanical strength layer, and a plurality of layers provided in a first pattern through the first high mechanical strength layer A first high mechanical strength layer having an opening; and (ii) a second high mechanical strength layer, having a plurality of openings provided in a second pattern penetrating the second high mechanical strength layer. The overlap of the opening of the first high mechanical strength layer and the opening of the second high mechanical strength layer along the axis extending vertically from the first high mechanical strength layer to the second high mechanical strength layer is 20% or less. A second high mechanical strength layer having an offset arrangement with respect to the first pattern; and (iii) a third high mechanical strength layer, having the same spatial aperture arrangement as the first pattern through the third high mechanical strength layer. A third high mechanical strength layer having a plurality of openings provided in a third pattern having (i) ) A fourth high mechanical strength layer, and a fourth high mechanical strength layer having a plurality of openings provided in a fourth pattern having the same spatial opening arrangement as the second pattern penetrating the fourth high mechanical strength layer. The first high mechanical strength layer, the second high mechanical strength layer, the third high mechanical strength layer, and the fourth high mechanical strength layer are the first high mechanical strength layer, the second high mechanical strength layer, and the third high mechanical strength layer. Electrolyte ions provided in contact with the strength layer and the fourth high mechanical strength layer are transported through the first high mechanical strength layer, the second high mechanical strength layer, the third high mechanical strength layer, and the fourth high mechanical strength layer. A separator system is provided that is positioned as possible. In one embodiment of this aspect, the overlap of the opening of the first high mechanical strength layer and the opening of the second high mechanical strength layer along an axis extending perpendicularly from the first high mechanical strength layer to the second high mechanical strength layer is: 10% or less.
一実施形態では、本発明は、電気化学システム用のセパレータシステムであって、(i)第1高機械強度層であり、第1高機械強度層を貫通して第1パターンで設けた複数の開口を有する第1高機械強度層と、(ii)第2高機械強度層であり、第2高機械強度層を貫通して第2パターンで設けた複数の開口を有し、第2パターンは、第1高機械強度層から第2高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第1高機械強度層の開口と第2高機械強度層の開口との重なりが40%以下であるように第1パターンに対してオフセット配列を有する第2高機械強度層と、(iii)第3高機械強度層であり、第3高機械強度層を貫通して第3パターンで設けた複数の開口を有し、第3パターンは、第1層又は第2層から第3層まで垂直に延びる軸に沿った第1高機械強度層の開口と、第2高機械強度層の開口と、第3高機械強度層の開口との重なりが20%以下であるように第1パターン及び第2パターンに対してオフセット配列を有する第3高機械強度層とを備え、第1高機械強度層、第2高機械強度層、及び第3高機械強度層は、第1高機械強度層、第2高機械強度層、及び第3高機械強度層に接触して設けた電解質のイオンを第1高機械強度層、第2高機械強度層、及び第3高機械強度層を通して輸送可能であるように位置決めされるセパレータシステムを提供する。この態様の一実施形態では、第1高機械強度層から第2高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第1高機械強度層の開口と第2高機械強度層の開口との重なりは、20%以下であり、第1高機械強度層又は第2高機械強度層から第3高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第1高機械強度層の開口と、第2高機強度層の開口と、第3高機械強度層の開口との重なりは、10%以下である。 In one embodiment, the present invention is a separator system for an electrochemical system, comprising: (i) a first high mechanical strength layer, and a plurality of layers provided in a first pattern through the first high mechanical strength layer A first high mechanical strength layer having an opening; and (ii) a second high mechanical strength layer having a plurality of openings provided in a second pattern penetrating the second high mechanical strength layer. The overlap of the opening of the first high mechanical strength layer and the opening of the second high mechanical strength layer along the axis extending perpendicularly from the first high mechanical strength layer to the second high mechanical strength layer is 40% or less. A second high mechanical strength layer having an offset arrangement with respect to the first pattern; and (iii) a third high mechanical strength layer, and a plurality of openings provided in the third pattern through the third high mechanical strength layer. And the third pattern extends along an axis extending vertically from the first layer or the second layer to the third layer. The first pattern and the second pattern have an overlap of 20% or less of the opening of the first high mechanical strength layer, the opening of the second high mechanical strength layer, and the opening of the third high mechanical strength layer. A third high mechanical strength layer having an offset arrangement, the first high mechanical strength layer, the second high mechanical strength layer, and the third high mechanical strength layer being a first high mechanical strength layer and a second high mechanical strength layer. And a separator positioned so that electrolyte ions provided in contact with the third high mechanical strength layer can be transported through the first high mechanical strength layer, the second high mechanical strength layer, and the third high mechanical strength layer Provide a system. In one embodiment of this aspect, the overlap of the opening of the first high mechanical strength layer and the opening of the second high mechanical strength layer along an axis extending perpendicularly from the first high mechanical strength layer to the second high mechanical strength layer is: The opening of the first high mechanical strength layer along an axis extending vertically from the first high mechanical strength layer or the second high mechanical strength layer to the third high mechanical strength layer, and the second high mechanical strength The overlap between the opening of the layer and the opening of the third high mechanical strength layer is 10% or less.
一実施形態では、本発明は、電気化学システム用のセパレータシステムであって、(i)第1高機械強度層であり、第1高機械強度層を貫通して第1パターンで設けた複数の開口を有する第1高機械強度層と、(ii)第2高機械強度層であり、第2高機械強度層を貫通して第2パターンで設けた複数の開口を有し、第2パターンは、第1高機械強度層から第2高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第1高機械強度層の開口と第2高機械強度層の開口との重なりが50%以下であるように第1パターンに対してオフセット配列を有する第2高機械強度層と、(iii)第3高機械強度層であり、第3高機械強度層を貫通して第3パターンで設けた複数の開口を有し、第3パターンは、第1高機械強度層又は第2高機械強度層から第3高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第1高機械強度層の開口と、第2高機械強度層の開口と、第3高機械強度層の開口との重なりが30%以下であるように第1パターン及び第2パターンに対してオフセット配列を有する第3高機械強度層と、(iv)第4高機械強度層であり、第4高機械強度層を貫通して第4パターンで設けた複数の開口を有し、第4パターンは、第1高機械強度層又は第2高機械強度層から第4高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第1高機械強度層の開口と、第2高機械強度層の開口と、第3高機械強度層の開口と、第4高機械強度層の開口との重なりが20%以下であるように第1パターン、第2パターン、及び第3パターンに対してオフセット配列を有する第4高機械強度層とを備え、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、及び第4高機械強度層は、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、及び第4高機械強度層に接触して設けた電解質のイオンを第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、及び第4高機械強度層を通して輸送可能であるように位置決めされるセパレータシステムを提供する。この態様の一実施形態では、第1高機械強度層から第2高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第1高機械強度層の開口と第2高機械強度層の開口との重なりは、30%以下であり、第1パターン及び第2パターンに対するオフセット配列は、第1高機械強度層又は第2高機械強度層から第3高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第1高機械強度層の開口と、第2高機強度層の開口と、第3高機械強度層の開口との重なりが、20%以下であるようにし、第1パターン、第2パターン、及び第3パターンに対してオフセット配列は、第1高機械強度層又は第2高機械強度層から第4高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第1高機械強度層の開口と、第2高機強度層の開口と、第3高機械強度層の開口と、第4高機械強度層の開口との重なりが、10%以下であるようにする。 In one embodiment, the present invention is a separator system for an electrochemical system, comprising: (i) a first high mechanical strength layer, and a plurality of layers provided in a first pattern through the first high mechanical strength layer A first high mechanical strength layer having an opening; and (ii) a second high mechanical strength layer having a plurality of openings provided in a second pattern penetrating the second high mechanical strength layer. The overlap of the opening of the first high mechanical strength layer and the opening of the second high mechanical strength layer along the axis extending vertically from the first high mechanical strength layer to the second high mechanical strength layer is 50% or less. A second high mechanical strength layer having an offset arrangement with respect to the first pattern; and (iii) a third high mechanical strength layer, and a plurality of openings provided in the third pattern through the third high mechanical strength layer. The third pattern has a third high machine from the first high mechanical strength layer or the second high mechanical strength layer. The overlap of the opening of the first high mechanical strength layer, the opening of the second high mechanical strength layer, and the opening of the third high mechanical strength layer along the axis extending vertically to the strength layer is 30% or less. A third high mechanical strength layer having an offset arrangement with respect to the one pattern and the second pattern; and (iv) a fourth high mechanical strength layer, and a plurality of the fourth high mechanical strength layers provided in the fourth pattern. The fourth pattern includes openings of the first high mechanical strength layer along an axis extending perpendicularly from the first high mechanical strength layer or the second high mechanical strength layer to the fourth high mechanical strength layer; The first pattern, the second pattern, and the third pattern so that the overlap of the opening of the second high mechanical strength layer, the opening of the third high mechanical strength layer, and the opening of the fourth high mechanical strength layer is 20% or less. A fourth high mechanical strength layer having an offset arrangement with respect to the first high mechanical strength layer, The second high mechanical strength layer, the third high mechanical strength layer, and the fourth high mechanical strength layer are the first high mechanical strength layer, the second high mechanical strength layer, the third high mechanical strength layer, and the fourth high mechanical strength layer. Separator system positioned so that electrolyte ions provided in contact with can be transported through the first high mechanical strength layer, the second high mechanical strength layer, the third high mechanical strength layer, and the fourth high mechanical strength layer I will provide a. In one embodiment of this aspect, the overlap of the opening of the first high mechanical strength layer and the opening of the second high mechanical strength layer along an axis extending perpendicularly from the first high mechanical strength layer to the second high mechanical strength layer is: 30% or less, and the offset arrangement with respect to the first pattern and the second pattern has a first height along an axis extending perpendicularly from the first high mechanical strength layer or the second high mechanical strength layer to the third high mechanical strength layer. The overlap of the opening of the mechanical strength layer, the opening of the second high mechanical strength layer, and the opening of the third high mechanical strength layer is 20% or less, and the first pattern, the second pattern, and the third pattern The offset arrangement includes an opening in the first high mechanical strength layer along an axis extending perpendicularly from the first high mechanical strength layer or the second high mechanical strength layer to the fourth high mechanical strength layer, and a second high mechanical strength. An opening in the layer, an opening in the third high mechanical strength layer, and an opening in the fourth high mechanical strength layer Overlap, so that is 10% or less.
いくつかの実施形態では、例えば、第2高機械強度層を第1高機械強度層と第3高機械強度層との間に設ける。いくつかの実施形態では、例えば、第1高機械強度層を第2高機械強度層と第4高機械強度層との間に設けるか、又は第3高機械強度層を第2高機械強度層と第4高機械強度層との間に設ける。一実施形態では、第1機械強度層及び第2機械強度層を物理的に接触して設けないか、又は第1機械強度層、第2機械強度層、及び第3機械強度層を物理的に接触させて設けないか、又は第1機械強度層、第2機械強度層、第3機械強度層、及び第4機械強度層を物理的に接触して設けない。 In some embodiments, for example, a second high mechanical strength layer is provided between the first high mechanical strength layer and the third high mechanical strength layer. In some embodiments, for example, the first high mechanical strength layer is provided between the second high mechanical strength layer and the fourth high mechanical strength layer, or the third high mechanical strength layer is provided as the second high mechanical strength layer. And the fourth high mechanical strength layer. In one embodiment, the first mechanical strength layer and the second mechanical strength layer are not provided in physical contact, or the first mechanical strength layer, the second mechanical strength layer, and the third mechanical strength layer are physically provided. The first mechanical strength layer, the second mechanical strength layer, the third mechanical strength layer, and the fourth mechanical strength layer are not provided in contact with each other.
この態様のいくつかのセパレータは、例えば、電気化学システムにおけるデンドライト形成を管理する多層構造を提供し、複数のセパレータ層(例えば、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、第4高機械強度層等)が、正電極と負電極との間のデンドライト成長が動力学的及び/又は熱力学的に不利であるようなイオン伝導率を正電極と負電極との間で確立するマイクロチャネル又はナノチャネル等のコンプリメンタリ(complimentary)な開口パターンを有する。この態様のいくつかのセパレータは、例えば、正電極と負電極との間のデンドライト成長をもたらす直接的な直線経路を防止する多層の幾何学的形状及び物理特性を有する障壁を提供し、これは、正電極と負電極との間のイオン輸送用の経路(単数又は複数)のみがデンドライト成長にとって動力学的及び/又は熱力学的に不利な曲線軌道を必要とする、多層構造を提供することによって得られる。一実施形態では、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、及び/又は第4高機械強度層は、平面状であり、例えば相互に対して実質的に平行な向きで設けられ、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、及び/又は第4高機械強度層の平面は、平行面に設けられる。一実施形態では、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、及び/又は第4高機械強度層は、中空円筒構造であり、例えば実質的に同心状の向きで設けられ、円筒形の第1層及び第2層の曲面が、同心状の向きで設けられる。本明細書で用いられる場合、同心状の向きから垂直に延びる軸は、中心軸に対して垂直であり中心軸から半径方向に延びる。 Some separators of this aspect provide, for example, a multi-layer structure that manages dendrite formation in an electrochemical system, such as a plurality of separator layers (eg, a first high mechanical strength layer, a second high mechanical strength layer, a third high strength layer). The mechanical strength layer, the fourth high mechanical strength layer, etc.) have positive and negative electrode conductivities such that dendritic growth between the positive electrode and the negative electrode is kinetically and / or thermodynamically unfavorable. Complementary opening patterns such as microchannels or nanochannels established between the two. Some separators of this embodiment provide a barrier with multiple layers of geometry and physical properties that prevent, for example, a direct linear path leading to dendrite growth between the positive and negative electrodes, which Providing a multi-layer structure in which only the path (s) for ion transport between the positive and negative electrodes require a curved orbit that is kinetically and / or thermodynamically unfavorable for dendrite growth Obtained by. In one embodiment, the first high mechanical strength layer, the second high mechanical strength layer, the third high mechanical strength layer, and / or the fourth high mechanical strength layer are planar, eg, substantially relative to each other. The planes of the first high mechanical strength layer, the second high mechanical strength layer, the third high mechanical strength layer, and / or the fourth high mechanical strength layer are provided in parallel planes. In one embodiment, the first high mechanical strength layer, the second high mechanical strength layer, the third high mechanical strength layer, and / or the fourth high mechanical strength layer is a hollow cylindrical structure, eg, substantially concentric. The curved surfaces of the cylindrical first layer and the second layer are provided in a concentric direction. As used herein, an axis extending perpendicularly from a concentric orientation is perpendicular to the central axis and extends radially from the central axis.
本発明のいくつかのセパレータシステムの多層の幾何学的形状は、第1層から第2層まで垂直に延びる軸に沿った第1パターンの開口と第2パターンの開口との選択的な重なりを提供するオフセット配列を提供する。本発明のこの態様は、有用なイオン輸送特性を利用すると同時に、電気化学セルの正電極と負電極との間のデンドライト形成を防止するのに有用である。いくつかの実施形態では、用語「オフセット」は、セパレータの1つの高機械強度層の開口が、第1高機械強度層から第2高機械強度層まで垂直に延びる軸等の1つの層から別の層まで延びる軸に沿った別の高機械強度層の開口の位置に対してオフセットしている構成を指す。いくつかの実施形態では、用語「オフセット」は、第1高機械強度層の開口が第1高機械強度層から第2高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿って第2高機械強度層の開口に完全には重畳可能でないように、第1高機械強度層の第1パターンの開口が第2高機械強度層の第2パターンの開口の位置に対してオフセットするような、高機械強度層の開口パターンの相対的構成を指す。一実施形態では、例えば、第1高機械強度層及び第2高機械強度層は、ナノ多孔質及び/又は微多孔質であり、第1高機械強度層の開口が第1高機械強度層から第2高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿って第2高機械強度層の開口に全く重畳可能でないように配列される。一実施形態では、例えば、第1高機械強度層から第2高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第1パターン、第2パターン、第3パターン、及び第4パターンの2つ以上の開口の重なりは、10%以下であり、場合によってはいくつかの用途で1%以下である。一実施形態では、例えば、第1高機械強度層から第2高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第1パターン、第2パターン、第3パターン、及び第4パターンの2つ以上の開口の重なりは、0%〜5%の範囲から選択され、場合によってはいくつかの用途で0%〜1%の範囲から選択される。一実施形態では、例えば、第1高機械強度層から第2高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第1パターン、第2パターン、第3パターン、及び第4パターンの2つ以上の開口の重なりは、0に等しく、例えば正確に0に等しい。一実施形態では、例えば、第1高機械強度層から第2高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第1パターン、第2パターン、及び第3パターンの開口の重なりは、10%以下である。一実施形態では、例えば、第1高機械強度層から第2高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第1パターン、第2パターン、及び第3パターンの開口の重なりは、0%〜5%の範囲から選択される。一実施形態では、例えば、第1高機械強度層から第2高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第1パターン、第2パターン、第3パターン、及び第4パターンの開口の重なりは、10%以下である。一実施形態では、例えば、第1高機械強度層から第2高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第1パターン、第2パターン、第3パターン、及び第4パターンの開口の重なりは、0%〜5%の範囲から選択される。 The multilayer geometry of some separator systems of the present invention provides a selective overlap of the first pattern openings and the second pattern openings along an axis extending vertically from the first layer to the second layer. Provide the offset array to be provided. This aspect of the present invention is useful to prevent dendrite formation between the positive and negative electrodes of an electrochemical cell while utilizing useful ion transport properties. In some embodiments, the term “offset” is separate from one layer, such as an axis, where the opening of one high mechanical strength layer of the separator extends perpendicularly from the first high mechanical strength layer to the second high mechanical strength layer. Refers to a configuration that is offset relative to the position of the opening in another high mechanical strength layer along an axis extending to the other layer. In some embodiments, the term “offset” refers to the second high mechanical strength layer along an axis along which the opening of the first high mechanical strength layer extends perpendicularly from the first high mechanical strength layer to the second high mechanical strength layer. The high mechanical strength layer such that the opening of the first pattern of the first high mechanical strength layer is offset relative to the position of the opening of the second pattern of the second high mechanical strength layer so that it cannot be completely superimposed on the opening. The relative structure of the opening pattern of In one embodiment, for example, the first high mechanical strength layer and the second high mechanical strength layer are nanoporous and / or microporous, and the opening of the first high mechanical strength layer extends from the first high mechanical strength layer. Arranged so as not to overlap the openings of the second high mechanical strength layer along an axis extending vertically to the second high mechanical strength layer. In one embodiment, for example, two or more apertures in a first pattern, a second pattern, a third pattern, and a fourth pattern along an axis extending perpendicularly from the first high mechanical strength layer to the second high mechanical strength layer. The overlap is 10% or less, and in some cases 1% or less for some applications. In one embodiment, for example, two or more apertures in a first pattern, a second pattern, a third pattern, and a fourth pattern along an axis extending perpendicularly from the first high mechanical strength layer to the second high mechanical strength layer. Is selected from the range of 0% to 5%, and in some cases from the range of 0% to 1% for some applications. In one embodiment, for example, two or more apertures in a first pattern, a second pattern, a third pattern, and a fourth pattern along an axis extending perpendicularly from the first high mechanical strength layer to the second high mechanical strength layer. Is equal to 0, for example exactly equal to 0. In one embodiment, for example, the overlap of openings of the first pattern, the second pattern, and the third pattern along an axis extending vertically from the first high mechanical strength layer to the second high mechanical strength layer is 10% or less. is there. In one embodiment, for example, the opening overlap of the first pattern, the second pattern, and the third pattern along an axis extending perpendicularly from the first high mechanical strength layer to the second high mechanical strength layer is 0% to 5%. % Range. In one embodiment, for example, the opening overlap of the first pattern, the second pattern, the third pattern, and the fourth pattern along an axis extending perpendicularly from the first high mechanical strength layer to the second high mechanical strength layer is: 10% or less. In one embodiment, for example, the opening overlap of the first pattern, the second pattern, the third pattern, and the fourth pattern along an axis extending perpendicularly from the first high mechanical strength layer to the second high mechanical strength layer is: It is selected from the range of 0% to 5%.
一実施形態では、例えば、第1パターン、第2パターン、第3パターン、及び第4パターンの2つ以上は、実質的にコンプリメンタリなパターンを含む。一実施形態では、例えば、実質的にコンプリメンタリなパターンは、相互の実質的なネガ画像に対応する。本明細書で用いられる場合、コンプリメンタリなパターンは、高機械強度層の1つのパターンの開口と1つ又は複数の他のパターンの1つ又は複数の他の高機械強度層の開口との相対位置が、電気化学セルの正電極と負電極との間のデンドライト成長を防止するよう選択される構成を指す。一実施形態では、例えば、第1パターン及び第2パターンの実質的にコンプリメンタリなパターンは、例えば、相互のネガ画像であり、第1パターンの開口の位置が開口を有しない第2層の領域に対応する。本発明のコンプリメンタリなパターンの例として、第1層は、チェス盤の黒マスに相当する開口パターンを特徴とし、第2層は、チェス盤の赤マスに相当する開口パターンを特徴とし得る。本発明のコンプリメンタリなパターンの例として、第1高機械強度層は、第1ピッチ及び開口間隔を特徴とする第1周期開口パターンを有し、第2高機械強度層は、同じピッチ及び開口間隔を特徴とするが第1パターンの開口の位置からオフセット又は平行移動した第2周期開口パターンを有することで、第1高機械強度層の開口が第1高機械強度層及び第2高機械強度層から垂直に延びる軸に沿って第2高機械強度層の開口に重畳可能でないようにする。 In one embodiment, for example, two or more of the first pattern, the second pattern, the third pattern, and the fourth pattern include substantially complementary patterns. In one embodiment, for example, substantially complementary patterns correspond to each other's substantially negative images. As used herein, a complementary pattern is the relative position of an opening of one pattern of a high mechanical strength layer and an opening of one or more other high mechanical strength layers of one or more other patterns. Refers to a configuration selected to prevent dendrite growth between the positive and negative electrodes of the electrochemical cell. In one embodiment, for example, the substantially complementary pattern of the first pattern and the second pattern is, for example, a mutual negative image, and the position of the opening of the first pattern is in the region of the second layer having no opening. Correspond. As an example of a complementary pattern of the present invention, the first layer may be characterized by an opening pattern corresponding to a black square on the chess board, and the second layer may be characterized by an opening pattern corresponding to a red square on the chess board. As an example of the complementary pattern of the present invention, the first high mechanical strength layer has a first periodic opening pattern characterized by a first pitch and opening spacing, and the second high mechanical strength layer has the same pitch and opening spacing. But having a second periodic opening pattern offset or translated from the position of the opening of the first pattern, the opening of the first high mechanical strength layer becomes the first high mechanical strength layer and the second high mechanical strength layer. So as not to be superposed on the opening of the second high mechanical strength layer along an axis extending perpendicularly from.
一実施形態では、3つ以上の高機械強度層を有するセパレータシステムは、同一のパターン(すなわち、非コンプリメンタリパターン)を有するいくつかの高機械強度層を含み得るが、これは、コンプリメンタリなパターンを有する少なくとも1つの層が同一のパターンを有する高機械強度層間に位置決めされる場合に限る。例えば、セパレータシステムは、パターンAを有する1つ又は複数の高機械強度層及びパターンBを有する1つ又は複数の高機械強度層を特徴とすることができ、A及びBは、ABAの反復配列に従って配置されたコンプリメンタリなパターンであり、4つ以上の高機械強度層を含む多層系では、より長い配列、例えばABABABが可能である。 In one embodiment, a separator system having three or more high mechanical strength layers may include several high mechanical strength layers having the same pattern (ie, non-complementary patterns), which may be complementary patterns. Only if the at least one layer is positioned between high mechanical strength layers having the same pattern. For example, the separator system can be characterized by one or more high mechanical strength layers having pattern A and one or more high mechanical strength layers having pattern B, where A and B are repeating arrays of ABA In a multi-layer system with a complementary pattern arranged according to
別の実施形態では、3つ以上の高機械強度層を有するセパレータシステムは、コンプリメンタリなパターンを有する高機械強度層のみを含み得る。例えば、セパレータシステムは、パターンAを有する1つ又は複数の高機械強度層、パターンBを有する1つ又は複数の高機械強度層、及びパターンCを有する1つ又は複数の高機械強度層を特徴とすることができ、A、B、及びCは、ABCの反復配列に従って配置されて他の2つのパターンとそれぞれがコンプリメンタリなパターンであり、4つ以上の高機械強度層を含む多層系ではより長い配列(例えば、ABCABC)及び変化をつけた配列(例えば、ABCBA、ABCA)が可能である。 In another embodiment, a separator system having three or more high mechanical strength layers may include only a high mechanical strength layer having a complementary pattern. For example, the separator system features one or more high mechanical strength layers having pattern A, one or more high mechanical strength layers having pattern B, and one or more high mechanical strength layers having pattern C. A, B, and C are arranged in accordance with the ABC repeating sequence, each being a complementary pattern to the other two patterns, and more in multi-layer systems that include four or more high mechanical strength layers. Long sequences (eg, ABCABC) and altered sequences (eg, ABCBA, ABCA) are possible.
別の態様では、本発明は、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、及び第4高機械強度層の少なくとも1つの片側に設けた1つ又は複数の低イオン抵抗層をさらに備えたセパレータシステムを提供する。一実施形態では、例えば、1つ又は複数の低イオン抵抗層のそれぞれが、例えば電気化学セルの電解質用の貯溜槽(reservoir)を提供する電解質含有貯溜槽である。一実施形態では、例えば、1つ又は複数の低イオン抵抗層はそれぞれ独立して、20Ωcm2以下、好ましくはいくつかの実施形態では2Ωcm2以下、好ましくはいくつかの実施形態では1Ωcm2以下のイオン抵抗を有する。一実施形態では、例えば、上記1つ又は複数の低イオン抵抗層の少なくとも1つは、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、及び第4高機械強度層の少なくとも2つの間に設けた電解質用の空間を提供する圧力緩衝器である。 In another aspect, the present invention provides one or more of the first high mechanical strength layer, the second high mechanical strength layer, the third high mechanical strength layer, and the fourth high mechanical strength layer provided on one side. A separator system further comprising a low ionic resistance layer is provided. In one embodiment, for example, each of the one or more low ionic resistance layers is an electrolyte-containing reservoir that provides, for example, a reservoir for the electrolyte of an electrochemical cell. In one embodiment, for example, one or more low ionic resistance layer independently, 20 .OMEGA.cm 2 or less, preferably for some embodiments 2Omucm 2 or less, the 1 .OMEGA.cm 2 or less preferably some embodiments Has ionic resistance. In one embodiment, for example, at least one of the one or more low ionic resistance layers includes a first high mechanical strength layer, a second high mechanical strength layer, a third high mechanical strength layer, and a fourth high mechanical strength. A pressure buffer providing a space for an electrolyte provided between at least two of the layers;
一実施形態では、例えば、高機械強度層の少なくとも1つ及び1つ又は複数の低イオン抵抗層の少なくとも1つは、高機械強度層及び1つ又は複数の低イオン抵抗層の少なくとも1つに堆積させた堆積貯溜槽である。一実施形態では、例えば、高機械強度層及び1つ又は複数の低イオン抵抗層の少なくとも1つは、電気化学セルの電極に堆積させた堆積層、例えば、電気化学セルの電解質に向いた正電極又は負電極の表面に直接堆積させた層である。一実施形態では、例えば、1つ又は複数の低イオン抵抗層の少なくとも1つ、場合によっては全部が、圧力、熱、又は化学的接着により、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、及び第4高機械強度層のいずれかの少なくとも片側に接着される。一実施形態では、例えば、1つ又は複数の低イオン抵抗層の少なくとも1つ、場合によっては全部が、ポリマー樹脂により、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、及び第4高機械強度層のいずれかの少なくとも片側に接着される。一実施形態では、例えば、1つ又は複数の低イオン抵抗層の少なくとも1つ、場合によっては全部が、微多孔質材料、織材、又は不織材を含む。 In one embodiment, for example, at least one of the high mechanical strength layer and at least one of the one or more low ionic resistance layers are in at least one of the high mechanical strength layer and the one or more low ionic resistance layers. It is a deposited storage tank. In one embodiment, for example, at least one of the high mechanical strength layer and the one or more low ionic resistance layers is a deposited layer deposited on an electrode of an electrochemical cell, such as a positive electrode facing an electrolyte of an electrochemical cell. It is a layer deposited directly on the surface of the electrode or negative electrode. In one embodiment, for example, at least one, and possibly all, of the one or more low ionic resistance layers are applied to the first high mechanical strength layer, the second high mechanical strength layer by pressure, heat, or chemical adhesion. The third high mechanical strength layer and the fourth high mechanical strength layer are adhered to at least one side. In one embodiment, for example, at least one, and possibly all, of the one or more low ionic resistance layers are made of polymer resin, the first high mechanical strength layer, the second high mechanical strength layer, the third high mechanical strength layer. The layer and the fourth high mechanical strength layer are adhered to at least one side. In one embodiment, for example, at least one, and possibly all, of the one or more low ionic resistance layers comprises a microporous material, a woven material, or a non-woven material.
一実施形態では、例えば、1つ又は複数の低イオン抵抗層の少なくとも1つ、場合によっては全部が、セラミック若しくはガラス電解質、ポリマー電解質、又は別の固体電解質を含む。一実施形態では、例えば、低イオン抵抗層は、LISICON若しくはLIPON等のガラス電解質、又はPEO等のポリマー電解質を含む。一実施形態では、例えば、1つ又は複数の低イオン抵抗層の少なくとも1つ、場合によっては全部が、有孔セラミックセパレータ、多孔質セラミックセパレータ、有孔ガラスセパレータ、多孔質ガラスセパレータ、又は有孔金属、又は有孔合金セパレータ、又は有孔ゴム、又はゴムメッシュ、又は金属メッシュ、又は合金メッシュを含む。 In one embodiment, for example, at least one, and possibly all, of the one or more low ionic resistance layers comprises a ceramic or glass electrolyte, a polymer electrolyte, or another solid electrolyte. In one embodiment, for example, the low ionic resistance layer comprises a glass electrolyte such as LIICON or LIPON, or a polymer electrolyte such as PEO. In one embodiment, for example, at least one, and possibly all, of the one or more low ionic resistance layers is a perforated ceramic separator, a porous ceramic separator, a perforated glass separator, a porous glass separator, or a perforated Metal, or porous alloy separator, or porous rubber, or rubber mesh, or metal mesh, or alloy mesh.
一実施形態では、例えば、1つ又は複数の低イオン抵抗層の少なくとも1つは、リング又は中央開口を有するフレーム、例えば、電気化学セルに機械的支持構造、電解質貯溜槽構造、及び/又はスペーサ構造を設けるリング又はフレーム構造を含む。一実施形態では、例えば、1つ又は複数の低イオン抵抗層は、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、及び第4高機械強度層の少なくとも1つと接触した1つ又は複数のフレーム層を含む。一実施形態では、例えば、第1高機械強度層を第1フレーム層と第2フレーム層との間に設け、第2高機械強度層を第3フレーム層と第4フレーム層との間に設けるか、又は第1高機械強度層を第1フレーム層と第2フレーム層との間に設け、第2高機械強度層を第2フレーム層と第3フレーム層との間に設ける。一実施形態では、例えば、1つ又は複数の低イオン抵抗層は、電気化学セルの正電極及び/又は負電極等の電気化学システムの電極の少なくとも1つと物理的に接触した1つ又は複数のフレーム層を含む。一実施形態では、例えば、1つ又は複数の低イオン抵抗層は、第1層と第2層との間に設けたスペーサを備え、スペーサは、第1層と第2層とを10nm〜1000μmの範囲から選択される、場合によってはいくつかの用途で1μm〜1000μmの範囲から選択される選択距離だけ分離する。一実施形態では、例えば、この態様のスペーサは、第1高機械強度層と第2高機械強度層との間の選択距離を定めるリング、多孔質壁コンポーネントを有するフレーム構造、材料層、又は別個の材料要素配置を含む。 In one embodiment, for example, at least one of the one or more low ionic resistance layers is a frame having a ring or central opening, such as a mechanical support structure, an electrolyte reservoir structure, and / or a spacer in an electrochemical cell. Includes a ring or frame structure that provides the structure. In one embodiment, for example, the one or more low ionic resistance layers are at least one of a first high mechanical strength layer, a second high mechanical strength layer, a third high mechanical strength layer, and a fourth high mechanical strength layer. It includes one or more frame layers in contact. In one embodiment, for example, the first high mechanical strength layer is provided between the first frame layer and the second frame layer, and the second high mechanical strength layer is provided between the third frame layer and the fourth frame layer. Alternatively, the first high mechanical strength layer is provided between the first frame layer and the second frame layer, and the second high mechanical strength layer is provided between the second frame layer and the third frame layer. In one embodiment, for example, the one or more low ionic resistance layers are one or more in physical contact with at least one electrode of an electrochemical system, such as a positive electrode and / or a negative electrode of an electrochemical cell. Includes frame layer. In one embodiment, for example, the one or more low ion resistance layers include a spacer provided between the first layer and the second layer, and the spacer includes the first layer and the second layer of 10 nm to 1000 μm. In some cases, the selected distance is selected from the range of 1 μm to 1000 μm. In one embodiment, for example, the spacer of this aspect can be a ring that defines a selected distance between the first high mechanical strength layer and the second high mechanical strength layer, a frame structure having a porous wall component, a material layer, or a separate layer. Including material element arrangements.
一実施形態では、例えば、低イオン抵抗層のそれぞれ、場合によっては全部が独立して、ポリマー、セラミック、木材、ガラス、鉱物、金属、合金、織材、不織材、セルロース、木繊維、海綿体、又はそれらの組み合わせである。一実施形態では、例えば、1つ又は複数の低イオン抵抗層はそれぞれ独立して、50%以上の、好ましくはいくつかの用途で70%を超える、好ましくはいくつかの用途で90%を超える多孔度を有する。一実施形態では、例えば、1つ又は複数の低イオン抵抗層はそれぞれ独立して、50%〜95%の範囲から選択される多孔度、好ましくはいくつかの用途で70%〜95%の範囲から選択される多孔度を有する。 In one embodiment, for example, each of the low ionic resistance layers, possibly all independently, polymer, ceramic, wood, glass, mineral, metal, alloy, woven material, non-woven material, cellulose, wood fiber, sponge Body, or a combination thereof. In one embodiment, for example, each of the one or more low ionic resistance layers is independently greater than 50%, preferably greater than 70% for some applications, preferably greater than 90% for some applications. Has porosity. In one embodiment, for example, each of the one or more low ionic resistance layers is independently selected for a porosity selected from the range of 50% to 95%, preferably in the range of 70% to 95% for some applications. Having a porosity selected from
一実施形態では、例えば、高機械強度層の1つの少なくとも片側は、濡れ性、例えば電気化学セルの電解質に対する濡れ性を有する。一実施形態では、例えば、セパレータ構成は、高機械強度層の濡れ性のある面が低イオン抵抗層を間に設けずに別の高機械強度層に隣接して配置されることを特徴とする。一実施形態では、例えば、セパレータ構成は、高機械強度層の濡れ性のある面が低イオン抵抗層を間に設けずに電極に隣接して配置されることを特徴とする。一実施形態では、例えば、セパレータは、別の低イオン抵抗層又は高機械強度層に塗布した、又は電気化学システムの正電極又は負電極等の化学セルの電極に塗布した、1つ又は複数の低イオン抵抗層又は高機械強度層を含む。 In one embodiment, for example, at least one side of one of the high mechanical strength layers has wettability, eg, wettability to the electrolyte of an electrochemical cell. In one embodiment, for example, the separator configuration is characterized in that the wettable surface of the high mechanical strength layer is disposed adjacent to another high mechanical strength layer without a low ionic resistance layer therebetween. . In one embodiment, for example, the separator configuration is characterized in that the wettable surface of the high mechanical strength layer is disposed adjacent to the electrode with no low ionic resistance layer in between. In one embodiment, for example, the separator is applied to another low ionic resistance layer or high mechanical strength layer, or applied to an electrode of a chemical cell, such as a positive or negative electrode of an electrochemical system. Includes a low ionic resistance layer or a high mechanical strength layer.
別の態様では、本発明は、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、第4高機械強度層、又は1つ又は複数の低イオン抵抗層の少なくとも1つの片側に設けた、1つ又は複数の化学障壁層をさらに備えるセパレータを提供する。1つ又は複数の化学障壁を有するセパレータは、正電極及び負電極を異なる電解質に接触して設けた電気化学システムで有用であり、したがって化学障壁(単数又は複数)は、電荷担体の輸送を可能にする電解質の輸送は防止する。かかる構成では、化学障壁は、電極を劣化から保護すること及び/又は電気化学セルの正電極及び負電極で異なる電解質の使用を可能にすることに有用である。一実施形態では、例えば、1つ又は複数の化学障壁層は独立して、1つ又は複数の化学障壁層を通して電気化学セルの正電極又は負電極への望ましくない化学成分の輸送を防止する。一実施形態では、例えば、1つ又は複数の化学障壁層は、1つ又は複数の化学障壁層を通して電気化学セルの正電極又は負電極への電解質溶媒の輸送を防止する。一実施形態では、例えば、1つ又は複数の化学障壁層は、電気化学セルの電極の少なくとも片側に配置した固体電解質又は固体ポリマー電解質を含む。一実施形態では、例えば、1つ又は複数の化学障壁層は、LISICON若しくはNASICONからの固体電解質、又はポリエチレンオキシド(PEO)を含むポリマー電解質を含む。 In another aspect, the invention provides at least one of a first high mechanical strength layer, a second high mechanical strength layer, a third high mechanical strength layer, a fourth high mechanical strength layer, or one or more low ionic resistance layers. Provided is a separator further comprising one or more chemical barrier layers on one side. Separators with one or more chemical barriers are useful in electrochemical systems with positive and negative electrodes in contact with different electrolytes, so the chemical barrier (s) can transport charge carriers Prevent electrolyte transport. In such a configuration, the chemical barrier is useful to protect the electrode from degradation and / or to allow the use of different electrolytes at the positive and negative electrodes of the electrochemical cell. In one embodiment, for example, the one or more chemical barrier layers independently prevent the transport of undesirable chemical components through the one or more chemical barrier layers to the positive or negative electrode of the electrochemical cell. In one embodiment, for example, the one or more chemical barrier layers prevent electrolyte solvent transport through the one or more chemical barrier layers to the positive or negative electrode of the electrochemical cell. In one embodiment, for example, the one or more chemical barrier layers include a solid electrolyte or a solid polymer electrolyte disposed on at least one side of the electrode of the electrochemical cell. In one embodiment, for example, the one or more chemical barrier layers comprise a solid electrolyte from LISICON or NASICON, or a polymer electrolyte comprising polyethylene oxide (PEO).
一実施形態では、例えば、セパレータシステムは、負電極及び正電極を有する電気化学セルのコンポーネントであり、1つ又は複数の化学障壁層は、イオン伝導性保護膜を含み、保護膜は、正電極と接触した第1電解質と負電極と接触した第2電解質との間の障壁を提供し、イオン伝導性保護膜は、負電極と第1電解質との間の接触を防止する。一実施形態では、例えば、負電極はリチウム金属電極であり、イオン伝導性保護膜は、リチウムイオン電荷担体を通し、リチウム金属電極と第1電解質との間の接触を防止する。 In one embodiment, for example, the separator system is a component of an electrochemical cell having a negative electrode and a positive electrode, the one or more chemical barrier layers include an ion conductive protective film, and the protective film is a positive electrode. Providing a barrier between the first electrolyte in contact with the second electrolyte and the second electrolyte in contact with the negative electrode, and the ion conductive protective film prevents contact between the negative electrode and the first electrolyte. In one embodiment, for example, the negative electrode is a lithium metal electrode, and the ion conductive protective film passes lithium ion charge carriers and prevents contact between the lithium metal electrode and the first electrolyte.
一実施形態では、例えば、イオン伝導性保護膜は、ガラス質又は非晶質活性金属イオン伝導体、セラミック活性金属イオン伝導体、及びガラスセラミック活性金属イオン伝導体からなる群から選択される材料を含む。一実施形態では、例えば、1つ又は複数の化学障壁層は、保護膜の表面と正電極又は負電極との間に配置した固体ポリマー電解質をさらに含む。一実施形態では、例えば、高機械強度層、1つ又は複数の低イオン抵抗層、及び1つ又は複数の化学障壁層の少なくとも1つは、高機械強度層、1つ又は複数の低イオン抵抗層、及び1つ又は複数の化学障壁層の少なくとも1つに堆積させた堆積層である。一実施形態では、例えば、高機械強度層、1つ又は複数の低イオン抵抗層、及び1つ又は複数の化学障壁層の少なくとも1つは、電気化学セルの電極に堆積させた堆積層である。一実施形態では、例えば、セパレータは、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、及び第4高機械強度層、1つ又は複数の化学障壁層の少なくとも2つの組み合わせを、低イオン抵抗層を一切伴わずに備える。 In one embodiment, for example, the ion conductive protective film is made of a material selected from the group consisting of a vitreous or amorphous active metal ion conductor, a ceramic active metal ion conductor, and a glass ceramic active metal ion conductor. Including. In one embodiment, for example, the one or more chemical barrier layers further comprise a solid polymer electrolyte disposed between the surface of the protective membrane and the positive or negative electrode. In one embodiment, for example, at least one of the high mechanical strength layer, the one or more low ionic resistance layers, and the one or more chemical barrier layers is a high mechanical strength layer, one or more low ionic resistances. And a deposited layer deposited on at least one of the layer and one or more chemical barrier layers. In one embodiment, for example, at least one of the high mechanical strength layer, the one or more low ionic resistance layers, and the one or more chemical barrier layers is a deposited layer deposited on an electrode of an electrochemical cell. . In one embodiment, for example, the separator is at least two of a first high mechanical strength layer, a second high mechanical strength layer, a third high mechanical strength layer, and a fourth high mechanical strength layer, one or more chemical barrier layers. One combination without any low ion resistance layer.
一態様では、セパレータは、第3高機械強度層であり、第3高機械強度層を貫通して第3パターンで設けた複数の開口を有する第3高機械強度層をさらに備え、第3高機械強度層は、第1高機械強度層と第2高機械強度層との間に位置決めされ、第3パターンは、第1高機械強度層又は第2高機械強度層から第3高機機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第1パターン又は第2パターンの開口と第3パターンの開口との重なりが20%以下であるように、第1パターン又は第2パターンに対してオフセット配列を有する。一態様では、セパレータは、第4高機械強度層であり、第4高機械強度層を貫通して第4パターンで設けた複数の開口を有する第4高機械強度層をさらに備え、第4高機械強度層は、第1高機械強度層と第2高機械強度層との間に位置決めされ、第4パターンは、第1高機械強度層又は第2高機械強度層から上記第4高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第1パターン、第2パターン、又は第3パターンの開口と第4パターンの開口との重なりが20%以下であるように、第1パターン、第2パターン、又は第3パターンに対してオフセット配列を有する。 In one aspect, the separator is a third high mechanical strength layer, and further includes a third high mechanical strength layer having a plurality of openings provided in a third pattern through the third high mechanical strength layer. The mechanical strength layer is positioned between the first high mechanical strength layer and the second high mechanical strength layer, and the third pattern is formed from the first high mechanical strength layer or the second high mechanical strength layer to the third high mechanical strength layer. Having an offset arrangement with respect to the first pattern or the second pattern such that the overlap between the opening of the first pattern or the second pattern and the opening of the third pattern along the axis extending vertically to the layer is 20% or less . In one aspect, the separator is a fourth high mechanical strength layer, and further includes a fourth high mechanical strength layer having a plurality of openings provided in a fourth pattern through the fourth high mechanical strength layer. The mechanical strength layer is positioned between the first high mechanical strength layer and the second high mechanical strength layer, and the fourth pattern is the fourth high mechanical strength from the first high mechanical strength layer or the second high mechanical strength layer. The first pattern, the second pattern, or the first pattern, the second pattern, or the overlap so that the opening of the first pattern, the second pattern, or the third pattern along the axis extending vertically to the layer and the opening of the fourth pattern is 20% or less An offset arrangement is provided for the third pattern.
本発明の多層セパレータシステムの層は、特定の用途に有用な機械特性を提供するよう構成され、多種多様な機構及び装置構成を介して取り付けられ得る。一実施形態では、例えば、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、第4高機械強度層、低イオン抵抗層、フレーム層、スペーサ、化学障壁層、又はそれらの組み合わせの少なくとも一部、場合によっては全部が、圧力、加熱、接着剤塗布、化学接着材、プラズマ処理、又はそれらの任意の組み合わせにより相互に少なくとも部分的に取り付けられる。一実施形態では、例えば、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、第4高機械強度層、低イオン抵抗層、フレーム層、スペーサ、化学障壁層、又はそれらの組み合わせの少なくとも一部、場合によっては全部が、接着剤、エポキシ、セメント、PTFE、固体電解質、ゲル電解質、ポリマー電解質、シリコーン接着剤、アクリル接着剤、シアノアクリレート、スタイキャスト1266、デルタボンド151、PVDF、PVA、LIPON、LISICON、PE−PP−PVDF、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド五水和物(CH3)4NOH・5H2O、ポリ(エチレンオキシド)(PEO)、エピクロヒドリン及びエチレンオキシドP(ECH−co−EO)及びポリ(ビニルアルコール)のコポリマー、ガラス繊維ポリマー電解質、硫化亜鉛、二酸化シリコン、カプトンテープ、ポリエチレンオキシド又はポリプロピレノキシド、又はコポリマー、PVDF−co−HFP Bi2O3、フッ素非含有バインダ又は芳香族バインダ、ポリアクリル酸リチウム、又はそれらの組み合わせにより相互に少なくとも部分的に取り付けられる。 The layers of the multi-layer separator system of the present invention are configured to provide useful mechanical properties for specific applications and can be attached via a wide variety of mechanisms and device configurations. In one embodiment, for example, a first high mechanical strength layer, a second high mechanical strength layer, a third high mechanical strength layer, a fourth high mechanical strength layer, a low ionic resistance layer, a frame layer, a spacer, a chemical barrier layer, or At least some, and in some cases, all of these combinations are at least partially attached to each other by pressure, heating, adhesive application, chemical adhesive, plasma treatment, or any combination thereof. In one embodiment, for example, a first high mechanical strength layer, a second high mechanical strength layer, a third high mechanical strength layer, a fourth high mechanical strength layer, a low ionic resistance layer, a frame layer, a spacer, a chemical barrier layer, or At least some of these combinations, and in some cases all, may be adhesives, epoxies, cements, PTFE, solid electrolytes, gel electrolytes, polymer electrolytes, silicone adhesives, acrylic adhesives, cyanoacrylates, stycast 1266, delta bonds 151 , PVDF, PVA, LIPON, LIICON, PE-PP-PVDF, tetramethylammonium hydroxide pentahydrate (CH 3 ) 4 NOH · 5H 2 O, poly (ethylene oxide) (PEO), epichlorohydrin and ethylene oxide P (ECH— co-EO) and poly (vinyl alcohol) copolymers Glass fiber polymer electrolyte, zinc sulfide, silicon dioxide, Kapton tape, polyethylene oxide or polypropylene Pile based Sid, or copolymers, PVDF-co-HFP Bi 2 O 3, fluorine-containing binder or an aromatic binder, lithium polyacrylate, or their Are at least partially attached to each other.
一実施形態では、本発明は、1つ又は複数の固体電解質層をさらに備えたセパレータシステムを提供し、上記1つ又は複数の固体電解質層は、例えば水分子、CO2、O2、又は空気が上記セパレータシステムを通して輸送されるのを防止し、LISICON又はNASICONを含む。 In one embodiment, the present invention provides a separator system further comprising one or more solid electrolyte layers, wherein the one or more solid electrolyte layers are, for example, water molecules, CO 2 , O 2 , or air. Is transported through the separator system and includes LISICON or NASICON.
一態様では、本発明のセパレータは、電気化学セルの電解質等の1つ又は複数の電解質をさらに備え、これは、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、第4高機械強度層、低イオン抵抗層、フレーム層、スペーサ、化学障壁層、又はそれらの任意の組み合わせの少なくとも一部と任意に物理的に接触する。一実施形態では、例えば、セパレータシステムは、正電極及び負電極を有する電気化学セルのコンポーネントであり、セパレータは、正電極と負電極との間に設けた電解質をさらに備え、電解質は、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、及び第4高機械強度層のいずれかと接触する。一実施形態では、例えば、セパレータシステムは、正電極及び負電極を有する電気化学セルのコンポーネントであり、セパレータは、正電極と負電極との間に設けた第1電解質及び第2電解質をさらに備え、第1電解質は、第2電解質とは異なる組成を有し、第1電解質は、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、及び第4高機械強度層のいずれかと接触し、第2電解質は、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、及び第4高機械強度層のいずれかと接触し、その場合に、不透過性のイオン伝導性層が間にあることにより、又は親水性若しくは疎水性の挙動又は密度等の異なる化学的性質及び物理的性質により、第1電解質と第2電解質とは相互に混ざり合わない。 In one aspect, the separator of the present invention further comprises one or more electrolytes, such as an electrolyte of an electrochemical cell, which comprises a first high mechanical strength layer, a second high mechanical strength layer, a third high mechanical strength layer. , Optionally in physical contact with at least a portion of the fourth high mechanical strength layer, low ionic resistance layer, frame layer, spacer, chemical barrier layer, or any combination thereof. In one embodiment, for example, the separator system is a component of an electrochemical cell having a positive electrode and a negative electrode, the separator further comprising an electrolyte provided between the positive electrode and the negative electrode, wherein the electrolyte is a first electrode. Contact with any of the high mechanical strength layer, the second high mechanical strength layer, the third high mechanical strength layer, and the fourth high mechanical strength layer. In one embodiment, for example, the separator system is a component of an electrochemical cell having a positive electrode and a negative electrode, and the separator further comprises a first electrolyte and a second electrolyte provided between the positive electrode and the negative electrode. The first electrolyte has a composition different from that of the second electrolyte, and the first electrolyte includes the first high mechanical strength layer, the second high mechanical strength layer, the third high mechanical strength layer, and the fourth high mechanical strength layer. And the second electrolyte is in contact with any one of the first high mechanical strength layer, the second high mechanical strength layer, the third high mechanical strength layer, and the fourth high mechanical strength layer. The first electrolyte and the second electrolyte do not mix with each other due to the presence of a permeable ion conductive layer or due to different chemical and physical properties such as hydrophilic or hydrophobic behavior or density. .
第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、及び第4高機械強度層等のセパレータシステムのコンポーネントの物理特性、化学特性、及び電子特性の選択は、高い電気抵抗、高いイオン伝導率、及び有用な機械的特質の組み合わせ等、電気化学セルにおける用途に有用な正味のセパレータ特性を提供するよう選択される。 The selection of physical, chemical and electronic properties of the separator system components such as the first high mechanical strength layer, the second high mechanical strength layer, the third high mechanical strength layer, and the fourth high mechanical strength layer is highly A combination of resistance, high ionic conductivity, and useful mechanical properties are selected to provide net separator properties useful for applications in electrochemical cells.
一実施形態では、例えば、第1開口パターンは、30%以上の、好ましくはいくつかの用途で40%を超える第1高機械強度層の第1多孔度を提供し、且つ/又は第2開口パターンは、30%以上の、好ましくはいくつかの用途で40%を超える第2高機械強度層の第2多孔度を提供する。一実施形態では、例えば、第1開口パターンは、30%以上の、好ましくはいくつかの用途で40%を超える第1高機械強度層の第1多孔度を提供し、又は第2開口パターンは、30%以上の、好ましくはいくつかの用途で40%を超える第2高機械強度層の第2多孔度を提供し、又は第3開口パターンは、30%以上の、好ましくはいくつかの用途で40%を超える第3高機械強度層の第3多孔度を提供し、又は第4開口パターンは、30%以上の、好ましくはいくつかの用途で40%を超える第4高機械強度層の第4多孔度を提供する。一実施形態では、例えば、第1開口パターンは、30%〜70%、好ましくはいくつかの用途で40%〜70%の範囲から選択される第1高機械強度層の多孔度を提供し、第2開口パターンは、30%〜70%、好ましくはいくつかの用途で40%〜70%の範囲から選択される第2高機械強度層の多孔度を提供する。一実施形態では、例えば、第1開口パターンは、30%〜70%、好ましくはいくつかの用途で40%〜70%の範囲から選択される第1高機械強度層の多孔度を提供し、又は第2開口パターンは、30%〜70%、好ましくはいくつかの用途で40%〜70%の範囲から選択される第2高機械強度層の多孔度を提供し、又は第3開口パターンは、30%〜70%、好ましくはいくつかの用途で40%〜70%の範囲から選択される第3高機械強度層の多孔度を提供し、又は第4開口パターンは、30%〜70%、好ましくはいくつかの用途で40%〜70%の範囲から選択される第4高機械強度層の多孔度を提供する。 In one embodiment, for example, the first opening pattern provides a first porosity of the first high mechanical strength layer of 30% or more, preferably more than 40% in some applications, and / or a second opening. The pattern provides a second porosity of the second high mechanical strength layer of greater than 30%, preferably greater than 40% in some applications. In one embodiment, for example, the first opening pattern provides a first porosity of the first high mechanical strength layer of 30% or more, preferably more than 40% in some applications, or the second opening pattern is Providing a second porosity of the second high mechanical strength layer of more than 30%, preferably more than 40% in some applications, or the third opening pattern is more than 30%, preferably in some applications Provides a third porosity of the third high mechanical strength layer of greater than 40%, or a fourth opening pattern of 30% or more, preferably greater than 40% of some applications. Provides a fourth porosity. In one embodiment, for example, the first opening pattern provides a porosity of the first high mechanical strength layer selected from the range of 30% to 70%, preferably 40% to 70% for some applications; The second opening pattern provides a porosity of the second high mechanical strength layer selected from the range of 30% to 70%, preferably 40% to 70% for some applications. In one embodiment, for example, the first opening pattern provides a porosity of the first high mechanical strength layer selected from the range of 30% to 70%, preferably 40% to 70% for some applications; Or the second opening pattern provides a porosity of the second high mechanical strength layer selected from the range of 30% to 70%, preferably 40% to 70% in some applications, or the third opening pattern is 30% to 70%, preferably providing a porosity of the third high mechanical strength layer selected from the range of 40% to 70% in some applications, or the fourth opening pattern is 30% to 70% Providing the porosity of the fourth high mechanical strength layer, preferably selected from the range of 40% to 70% in some applications.
高機械強度層の開口の一定範囲の幾何学的形状、形状、向き、及びパターンが、本発明のセパレータで有用である。一実施形態では、例えば、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、又は第4高機械強度層のいずれかの開口は独立して、円形、平行四辺形、矩形、正方形、三角形、楕円形、四角形、五角形、六角形、及びそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される断面形状を有する。一実施形態では、例えば、高機械強度層の開口は、20μm以上、場合によっていくつかの実施形態では50μm以上、場合によってはいくつかの実施形態で200μm以上、場合によってはいくつかの実施形態で500μm以上の少なくとも1つの横寸法(例えば、長さ、幅、直径等)を有する。一実施形態では、例えば、高機械強度層の開口は、1μm〜1mm、場合によってはいくつかの用途で200μm〜1mmの少なくとも1つの横寸法を有する。一実施形態では、例えば、高機械強度層の開口は、200μm以下、場合によってはいくつかの用途で10μm以下、場合によってはいくつかの用途で1μm以下の少なくとも1つの横寸法を有する。一実施形態では、例えば、第1パターン、第2パターン、第3パターン、又は第4パターンのいずれかは独立して、対称開口パターン又は非対称開口パターンである。一実施形態では、例えば、第1パターン、第2パターン、第3パターン、又は第4パターンのいずれかは独立して、無作為ではない開口パターンを含む。 A range of geometric shapes, shapes, orientations, and patterns of openings in the high mechanical strength layer are useful in the separator of the present invention. In one embodiment, for example, the openings in any of the first high mechanical strength layer, the second high mechanical strength layer, the third high mechanical strength layer, or the fourth high mechanical strength layer are independently circular, parallelograms, , A rectangle, a square, a triangle, an ellipse, a rectangle, a pentagon, a hexagon, and a cross-sectional shape selected from any combination thereof. In one embodiment, for example, the opening in the high mechanical strength layer is 20 μm or more, in some embodiments 50 μm or more, in some embodiments 200 μm or more, and in some embodiments in some embodiments. At least one lateral dimension (eg, length, width, diameter, etc.) of 500 μm or more. In one embodiment, for example, the opening in the high mechanical strength layer has at least one lateral dimension between 1 μm and 1 mm, and in some applications between 200 μm and 1 mm. In one embodiment, for example, the opening of the high mechanical strength layer has at least one lateral dimension of 200 μm or less, in some applications 10 μm or less, and in some applications 1 μm or less. In one embodiment, for example, any of the first pattern, the second pattern, the third pattern, or the fourth pattern is independently a symmetric opening pattern or an asymmetric opening pattern. In one embodiment, for example, any of the first pattern, the second pattern, the third pattern, or the fourth pattern independently includes a non-random opening pattern.
一実施形態では、例えば、第1開口パターン、第2開口パターン、第3開口パターン、又は第4開口パターンのいずれかは独立して、レーザ切断、リソグラフィ、エッチング、鋳造、穿孔、成形、打ち抜き、パターニング、塗布、及びそれらの任意の組み合わせからなる群から選択されるプロセスにより形成される。 In one embodiment, for example, either the first opening pattern, the second opening pattern, the third opening pattern, or the fourth opening pattern is independently laser cutting, lithography, etching, casting, drilling, molding, stamping, Formed by a process selected from the group consisting of patterning, coating, and any combination thereof.
一実施形態では、第1高機械強度層、及び/又は第2高機械強度層、及び/又は第3高機械強度層、及び/又は第4高機械強度層は、非導電性であり、例えば、これらの層の1つ又は複数は、電気化学セル等の電気化学システムの正電極と負電極との間の直接電気接触を防止するために電気絶縁材料を含む。電気絶縁性の高機械強度層は、カプトン、ポリエチレン、ポリプロピレン、繊維状セルロース、及び/又はPE及びPPコーティング等の電気絶縁体で塗布した金属層等の、一定範囲の電気絶縁材料を含み得る。一実施形態では、第1高機械強度層、及び/又は第2高機械強度層、及び/又は第3高機械強度層、及び/又は第4高機械強度層の少なくとも1つは、例えば導電性であり、これらの層の1つ又は複数は、電気絶縁材料を含み、これらの層の1つ又は複数は、導電性材料を含む。第1高機械強度層、及び/又は第2高機械強度層、及び/又は第3高機械強度層、及び/又は第4高機械強度層は、形状記憶ポリマー等の形状記憶特性を特徴とする材料、又は超弾性の特性を特徴とする材料を含む。 In one embodiment, the first high mechanical strength layer, and / or the second high mechanical strength layer, and / or the third high mechanical strength layer, and / or the fourth high mechanical strength layer are non-conductive, for example, One or more of these layers includes an electrically insulating material to prevent direct electrical contact between the positive and negative electrodes of an electrochemical system such as an electrochemical cell. The electrically insulating high mechanical strength layer may include a range of electrically insulating materials, such as Kapton, polyethylene, polypropylene, fibrous cellulose, and / or metal layers coated with an electrical insulator such as PE and PP coatings. In one embodiment, at least one of the first high mechanical strength layer and / or the second high mechanical strength layer and / or the third high mechanical strength layer and / or the fourth high mechanical strength layer is, for example, conductive. One or more of these layers comprises an electrically insulating material and one or more of these layers comprises a conductive material. The first high mechanical strength layer, and / or the second high mechanical strength layer, and / or the third high mechanical strength layer, and / or the fourth high mechanical strength layer are characterized by shape memory characteristics such as a shape memory polymer. Includes materials or materials characterized by superelastic properties.
一実施形態では、例えば、第1高機械強度層及び第2高機械強度層は、相互に完全に物理的に接触せず、例えば、電解質にイオン輸送をさせるために第1高機械強度層と第2高機械強度層との間に少なくともある程度の空間がある構成で設けられ、例えば、第1高機械強度層及び第2高機械強度層がいくつかの点で物理的に取り付けられるがいくつかの他の点では間に空間を有するように相互に接触した粗面を有することにより設けられる。一実施形態では、第1高機械強度層及び第2高機械強度層は、物理的に接触しない。一実施形態では、例えば、第1高機械強度層及び第2高機械強度層は、20nm〜2mmの範囲から選択される距離だけ分離される。一実施形態では、例えば、第1高機械強度層又は第2高機械強度層は、20nm〜2mmの範囲から選択される距離だけ第3高機械強度層又は第4高機械強度層から分離される。 In one embodiment, for example, the first high mechanical strength layer and the second high mechanical strength layer are not in full physical contact with each other, for example, with the first high mechanical strength layer to allow the electrolyte to transport ions. Provided in a configuration having at least some space between the second high mechanical strength layer, for example, the first high mechanical strength layer and the second high mechanical strength layer are physically attached at some points. The other points are provided by having rough surfaces in contact with each other so as to have a space in between. In one embodiment, the first high mechanical strength layer and the second high mechanical strength layer are not in physical contact. In one embodiment, for example, the first high mechanical strength layer and the second high mechanical strength layer are separated by a distance selected from the range of 20 nm to 2 mm. In one embodiment, for example, the first high mechanical strength layer or the second high mechanical strength layer is separated from the third high mechanical strength layer or the fourth high mechanical strength layer by a distance selected from the range of 20 nm to 2 mm. .
一実施形態では、例えば、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、第4高機械強度層、1つ又は複数の低イオン抵抗層、及び1つ又は複数の化学障壁層のいずれか、場合によっては全部が独立して、10nm〜1mmの範囲で選択される、場合によってはいくつかの用途で1μm〜500μmの範囲で選択される、場合によってはいくつかの用途で10nm〜50μmの範囲で選択される平均厚を有する。一実施形態では、例えば、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、第4高機械強度層、1つ又は複数の低イオン抵抗層、及び1つ又は複数の化学障壁層のいずれか、場合によっては全部が独立して、5μm〜1mmの範囲で選択される、場合によってはいくつかの用途で25μm〜5mmの範囲で選択される、場合によってはいくつかの用途で100μm〜2mmの範囲で選択される、場合によってはいくつかの用途で500μm〜1mmの範囲で選択される平均厚を有する。一実施形態では、例えば、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、第4高機械強度層、1つ又は複数の低イオン抵抗層、及び1つ又は複数の化学障壁層のいずれか、場合によっては全部が独立して、10nm〜2μmの範囲で選択される、又は2μm〜50μmの範囲で選択される平均厚を有する。 In one embodiment, for example, a first high mechanical strength layer, a second high mechanical strength layer, a third high mechanical strength layer, a fourth high mechanical strength layer, one or more low ionic resistance layers, and one or more Any of the chemical barrier layers, in some cases all independently selected in the range of 10 nm to 1 mm, in some cases in the range of 1 μm to 500 μm, in some cases in some cases Having an average thickness selected in the range of 10 nm to 50 μm. In one embodiment, for example, a first high mechanical strength layer, a second high mechanical strength layer, a third high mechanical strength layer, a fourth high mechanical strength layer, one or more low ionic resistance layers, and one or more Any of the chemical barrier layers, in some cases all independently selected in the range of 5 μm to 1 mm, in some cases in the range of 25 μm to 5 mm, in some cases in some cases Having an average thickness selected in the range of 100 μm to 2 mm in some applications, and in some cases in the range of 500 μm to 1 mm in some applications. In one embodiment, for example, a first high mechanical strength layer, a second high mechanical strength layer, a third high mechanical strength layer, a fourth high mechanical strength layer, one or more low ionic resistance layers, and one or more Any of these chemical barrier layers, in some cases all independently, have an average thickness selected in the range of 10 nm to 2 μm, or selected in the range of 2 μm to 50 μm.
一実施形態では、例えば、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、及び第4高機械強度層のいずれか、場合によっては全部が独立して、500MPa〜500GPaの範囲で選択されるヤング率を有する。一実施形態では、例えば、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、及び第4高機械強度層のいずれか、場合によっては全部が独立して、5MPa〜1000MPaの範囲で選択される降伏強度を有する。一実施形態では、例えば、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、及び第4高機械強度層のいずれか、場合によっては全部が独立して、0.005N〜10Nの範囲で選択される引裂強度、好ましくはいくつかの用途で0.01Nを超える引裂強度を有する。一実施形態では、例えば、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、及び第4高機械強度層のいずれか、場合によっては全部が独立して、10N〜500Nの範囲で選択される初期引裂強度、好ましくはいくつかの用途で50Nを超える初期引裂強度を有する。一実施形態では、例えば、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、及び第4高機械強度層のいずれか、場合によっては全部が独立して、50MPa〜2GPaの範囲で選択される引張強度を有する。一実施形態では、例えば、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、及び第4高機械強度層のいずれか、場合によっては全部が独立して、10Ncm〜1000Ncmの範囲で選択される衝撃強度を有する。
In one embodiment, for example, any of the first high mechanical strength layer, the second high mechanical strength layer, the third high mechanical strength layer, and the fourth high mechanical strength layer, and in some cases, all independently, It has a Young's modulus selected in the range of 500 GPa. In one embodiment, for example, any one of the first high mechanical strength layer, the second high mechanical strength layer, the third high mechanical strength layer, and the fourth high mechanical strength layer, and in some cases, all independently, 5 MPa to It has a yield strength selected in the range of 1000 MPa . In one embodiment, for example, any one of the first high mechanical strength layer, the second high mechanical strength layer, the third high mechanical strength layer, and the fourth high mechanical strength layer may be independently 0. It has a tear strength selected in the range of 005N to 10N, and preferably has a tear strength in excess of 0.01N in some applications. In one embodiment, for example, any one of the first high mechanical strength layer, the second high mechanical strength layer, the third high mechanical strength layer, and the fourth high mechanical strength layer, and in some cases, all independently, 10N to It has an initial tear strength selected in the range of 500N, preferably an initial tear strength in excess of 50N for some applications. In one embodiment, for example, any one of the first high mechanical strength layer, the second high mechanical strength layer, the third high mechanical strength layer, and the fourth high mechanical strength layer, and in some cases, all independently, It has a tensile strength selected in the range of 2 GPa. In one embodiment, for example, any one of the first high mechanical strength layer, the second high mechanical strength layer, the third high mechanical strength layer, and the fourth high mechanical strength layer, and in some cases, all may be independently from 10 Ncm to It has an impact strength selected in the range of 1000 Ncm.
一実施形態では、例えば、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、及び第4高機械強度層のいずれか、場合によっては全部が独立して、平行構成で設けた平面層を含む。一実施形態では、例えば、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、及び第4高機械強度層のいずれか、場合によっては全部が独立して、同心状構成で設けた中空円筒層を含む。一実施形態では、例えば、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、第4高機械強度層、1つ又は複数の低イオン抵抗層、及び1つ又は複数の化学障壁層のいずれか、場合によっては全部が、耐薬品性材料を含む。一実施形態では、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、第4高機械強度層、1つ又は複数の低イオン抵抗層、及び1つ又は複数の化学障壁層は独立して、それに接触して設けた電解質と化学的に適合性があり、且つ/又は独立して、それに接触して設けた電極と化学的に適合性がある。 In one embodiment, for example, any one of the first high mechanical strength layer, the second high mechanical strength layer, the third high mechanical strength layer, and the fourth high mechanical strength layer, and in some cases, all independently, in parallel configuration Including a planar layer. In one embodiment, for example, any one of the first high mechanical strength layer, the second high mechanical strength layer, the third high mechanical strength layer, and the fourth high mechanical strength layer, and in some cases, all are independently concentric. A hollow cylindrical layer provided in the configuration is included. In one embodiment, for example, a first high mechanical strength layer, a second high mechanical strength layer, a third high mechanical strength layer, a fourth high mechanical strength layer, one or more low ionic resistance layers, and one or more Any or all of the chemical barrier layers may comprise a chemical resistant material. In one embodiment, a first high mechanical strength layer, a second high mechanical strength layer, a third high mechanical strength layer, a fourth high mechanical strength layer, one or more low ionic resistance layers, and one or more chemistries The barrier layer is independently chemically compatible with the electrolyte provided in contact therewith and / or independently chemically compatible with the electrode provided in contact therewith.
一実施形態では、例えば、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、及び第4高機械強度層のいずれか、場合によっては全部が独立して、100℃以上の融点を有する材料を含む。一実施形態では、例えば、高機械強度層の少なくとも2つは、少なくとも30℃の差を有する異なる溶融温度を有し、場合によっては、高機械強度層の溶融温度の差は、層の1つを溶融させることにより電気化学セルの2つの電極間のイオン経路が閉じる遮断機構を提供するか、又は代替的に、高機械強度層の溶融温度の差は、層の1つを溶融させることにより電気化学セルの2つの電極間のイオン経路が閉じる遮断機構を提供しない。一実施形態では、例えば、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、及び第4高機械強度層のいずれか、場合によっては全部が独立して、50ppm/℃以下の熱膨張率を有する材料を含む。 In one embodiment, for example, any one of the first high mechanical strength layer, the second high mechanical strength layer, the third high mechanical strength layer, and the fourth high mechanical strength layer, in some cases, all independently, A material having the above melting point is included. In one embodiment, for example, at least two of the high mechanical strength layers have different melting temperatures having a difference of at least 30 ° C., and in some cases, the difference in melting temperature of the high mechanical strength layers is one of the layers. Providing a blocking mechanism that closes the ion path between the two electrodes of the electrochemical cell, or alternatively, the difference in melting temperature of the high mechanical strength layer can be achieved by melting one of the layers. It does not provide a blocking mechanism that closes the ion path between the two electrodes of the electrochemical cell. In one embodiment, for example, any one of the first high mechanical strength layer, the second high mechanical strength layer, the third high mechanical strength layer, and the fourth high mechanical strength layer, in some cases, all independently, 50 ppm / Including a material having a coefficient of thermal expansion of less than or equal to ° C.
本発明のセパレータシステムの第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、及び第4高機械強度層は、電気化学セルのタイプ等の特定の用途向けに選択された一定範囲の材料を含み得る。一実施形態では、例えば、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、及び第4高機械強度層は独立して、耐薬品性材料を含む。一実施形態では、例えば、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、及び第4高機械強度層は独立して、熱的に安定な材料を含む。一実施形態では、例えば、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、及び第4高機械強度層のいずれか、場合によっては全部が独立して、ポリマー、金属、合金、セラミック、木材、ガラス、半導体、織材、及び不織材からなる群から選択される1つ又は複数の材料を含む。一実施形態では、例えば、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、及び第4高機械強度層のいずれか、場合によっては全部が独立して、50以上の誘電率を有する材料を含む。一実施形態では、例えば、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、及び第4高機械強度層のいずれか、場合によっては全部が独立して、導電材料を含む。一実施形態では、例えば、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、及び第4高機械強度層のいずれか、場合によっては全部が独立して、ゲル電解質、固体電解質、及びポリマー電解質からなる群から選択される1つ又は複数の材料を含む。一実施形態では、例えば、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、及び第4高機械強度層のいずれか、場合によっては全部が独立して、ポリアクリル酸(PAA)、架橋ポリエチレン(PEX、XLPE)、ポリエチレン(PE)、ポリエチレンテレフタレート(PET、PETE)、ポリフェニルエーテル(PPE)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリ塩化ビニリデン(PVDC)、ポリ乳酸(PLA)、ポリプロピレン(PP)、ポリブチレン(PB)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリアミド(PA)、ポリイミド(PI)、ポリカーボネート(PC)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリスチレン(PS)、ポリウレタン(PU)、ポリエステル(PE)、アクリロニトリルブタジエンスチレン(ABS)、ポリ(メチルメタクリレート)(PMMA)、ポリオキシメチレン(POM)、ポリスルホン(PES)、スチレン−アクリロニトリル(SAN)、エチレン酢酸ビニル(EVA)、スチレン無水マレイン酸(SMA)、PVDF、PEO PVDF、LIPON PVDF、LISICON PVDF、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド五水和物(CH3)4NOH・5H2O、ポリ(エチレンオキシド)(PEO)、エピクロヒドリン及びエチレンオキシドP(ECH−co−EO)及びポリ(ビニルアルコール)のコポリマー、PEO−PVA−ガラス繊維ポリマー電解質、硫化亜鉛、二酸化ケイ素、PVA及びPSA、PVA/V6/PSS、PVAN6(PSS+PAA)、V6/PVA(PSS+PAA)、PVMPSS+PAA(35%))/(PSS+PAA(35%))、(PSS+PAA(35%))/PVA/(PSS+PAA(35%))、又は(PSS+PAA(35%))/(PVA(10%)+PSS(20%)対PVA))/(PSS+PAA(35%))ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリブチレングリコール、アクリルポリエチレングリコール、アクリルポリプロピレングリコール、アルキルポリブチレングリコール、そのコポリマー、PEO材料、又はPVA材料、及びそれらの組み合わせから選択される1つ又は複数の材料を含む。 The first high mechanical strength layer, the second high mechanical strength layer, the third high mechanical strength layer, and the fourth high mechanical strength layer of the separator system of the present invention are selected for a specific application such as the type of electrochemical cell. A range of materials may be included. In one embodiment, for example, the first high mechanical strength layer, the second high mechanical strength layer, the third high mechanical strength layer, and the fourth high mechanical strength layer independently comprise a chemical resistant material. In one embodiment, for example, the first high mechanical strength layer, the second high mechanical strength layer, the third high mechanical strength layer, and the fourth high mechanical strength layer independently comprise a thermally stable material. In one embodiment, for example, any one of the first high mechanical strength layer, the second high mechanical strength layer, the third high mechanical strength layer, and the fourth high mechanical strength layer, optionally all independently, a polymer, It includes one or more materials selected from the group consisting of metals, alloys, ceramics, wood, glass, semiconductors, woven materials, and non-woven materials. In one embodiment, for example, any one of the first high mechanical strength layer, the second high mechanical strength layer, the third high mechanical strength layer, and the fourth high mechanical strength layer, and in some cases, all are independently 50 or more. A material having a dielectric constant of In one embodiment, for example, any one of the first high mechanical strength layer, the second high mechanical strength layer, the third high mechanical strength layer, and the fourth high mechanical strength layer, in some cases, all independently, the conductive material including. In one embodiment, for example, any one of the first high mechanical strength layer, the second high mechanical strength layer, the third high mechanical strength layer, and the fourth high mechanical strength layer, and in some cases, all independently, the gel electrolyte One or more materials selected from the group consisting of: a solid electrolyte; and a polymer electrolyte. In one embodiment, for example, any one of the first high mechanical strength layer, the second high mechanical strength layer, the third high mechanical strength layer, and the fourth high mechanical strength layer, in some cases, all independently, Acid (PAA), Crosslinked polyethylene (PEX, XLPE), Polyethylene (PE), Polyethylene terephthalate (PET, PETE), Polyphenyl ether (PPE), Polyvinyl chloride (PVC), Polyvinylidene chloride (PVDC), Polylactic acid ( PLA), polypropylene (PP), polybutylene (PB), polybutylene terephthalate (PBT), polyamide (PA), polyimide (PI), polycarbonate (PC), polytetrafluoroethylene (PTFE), polystyrene (PS), polyurethane ( PU), polyester (PE), acrylonitrile butadiene Tylene (ABS), poly (methyl methacrylate) (PMMA), polyoxymethylene (POM), polysulfone (PES), styrene-acrylonitrile (SAN), ethylene vinyl acetate (EVA), styrene maleic anhydride (SMA), PVDF, PEO PVDF, LIPON PVDF, LISON PVDF, tetramethylammonium hydroxide pentahydrate (CH 3 ) 4 NOH · 5H 2 O, poly (ethylene oxide) (PEO), epichlorohydrin and ethylene oxide P (ECH-co-EO) and poly (Vinyl alcohol) copolymer, PEO-PVA-glass fiber polymer electrolyte, zinc sulfide, silicon dioxide, PVA and PSA, PVA / V6 / PSS, PVA6 (PSS + PAA), V6 / PVA (PSS + P A), PVMPSS + PAA (35%)) / (PSS + PAA (35%)), (PSS + PAA (35%)) / PVA / (PSS + PAA (35%)), or (PSS + PAA (35%)) / (PVA (10%) ) + PSS (20%) vs. PVA)) / (PSS + PAA (35%)) polyethylene glycol, polypropylene glycol, polybutylene glycol, acrylic polyethylene glycol, acrylic polypropylene glycol, alkyl polybutylene glycol, copolymers thereof, PEO materials, or PVA materials And one or more materials selected from combinations thereof.
一実施形態では、例えば、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、及び第4高機械強度層のいずれかの表面は、電解質に対する濡れ性を有する。一実施形態では、例えば、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、及び第4高機械強度層のいずれかの表面に、電解質に対して濡れ性のあるコーティングを塗布する。一実施形態では、例えば、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、及び第4高機械強度層のいずれかの表面の少なくとも一部に、任意に表面の10%未満を覆う接着剤コーティングを塗布する。一実施形態では、例えば、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、及び第4高機械強度層のいずれかの表面の少なくとも一部に、5μm未満の厚さを有する接着剤コーティングを塗布する。一実施形態では、例えば、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、及び第4高機械強度層のいずれかの少なくとも1つの表面は、1nm〜100nmの範囲から選択されるrms(二乗平均)を特徴とする表面粗さ等の表面粗さを有し、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、又は第4高機械強度層の少なくとも一部の間に電解質用の空間を提供する。一実施形態では、例えば、セパレータシステムは、正電極及び負電極を有する電気化学セルにおけるコンポーネントであり、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、及び第4高機械強度層のいずれかの少なくとも1つの表面は、1nm〜1000nmの範囲から選択されるrmsを特徴とする表面粗さ等の表面粗さを有し、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、又は第4高機械強度層と電気化学セルの正電極又は負電極との間に電解質用の空間を提供する。一実施形態では、例えば、表面粗さは、高機械強度層の2つの少なくとも一部間に、又は高機械強度層の少なくとも一部と正電極又は負電極との間に、5nm〜5マイクロメートルの範囲から選択される距離を提供する。 In one embodiment, for example, the surface of any of the first high mechanical strength layer, the second high mechanical strength layer, the third high mechanical strength layer, and the fourth high mechanical strength layer has wettability to the electrolyte. In one embodiment, for example, the surface of any one of the first high mechanical strength layer, the second high mechanical strength layer, the third high mechanical strength layer, and the fourth high mechanical strength layer is wettable with respect to the electrolyte. Apply coating. In one embodiment, for example, at least a part of the surface of any one of the first high mechanical strength layer, the second high mechanical strength layer, the third high mechanical strength layer, and the fourth high mechanical strength layer is optionally provided with a surface. Apply an adhesive coating covering less than 10%. In one embodiment, for example, at least part of the surface of any of the first high mechanical strength layer, the second high mechanical strength layer, the third high mechanical strength layer, and the fourth high mechanical strength layer has a thickness of less than 5 μm. An adhesive coating having a thickness is applied. In one embodiment, for example, at least one surface of any of the first high mechanical strength layer, the second high mechanical strength layer, the third high mechanical strength layer, and the fourth high mechanical strength layer ranges from 1 nm to 100 nm. The first high mechanical strength layer, the second high mechanical strength layer, the third high mechanical strength layer, or the fourth high A space for electrolyte is provided between at least a portion of the mechanical strength layer. In one embodiment, for example, the separator system is a component in an electrochemical cell having a positive electrode and a negative electrode, the first high mechanical strength layer, the second high mechanical strength layer, the third high mechanical strength layer, and the fourth At least one surface of any of the high mechanical strength layers has a surface roughness such as a surface roughness characterized by rms selected from the range of 1 nm to 1000 nm, the first high mechanical strength layer, the second high strength layer, A space for an electrolyte is provided between the mechanical strength layer, the third high mechanical strength layer, or the fourth high mechanical strength layer and the positive electrode or the negative electrode of the electrochemical cell. In one embodiment, for example, the surface roughness is between 5 nm and 5 micrometers between at least two portions of the high mechanical strength layer or between at least a portion of the high mechanical strength layer and the positive or negative electrode. Provides a distance selected from a range of.
一態様では、本発明は、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、第4高機械強度層、低イオン抵抗層、フレーム層、スペーサ、化学障壁層の少なくともいくつか、又はそれらの任意の組み合わせが、高い表面エネルギー、好ましくはいくつかの用途で10mJ/m2以上の表面エネルギーを有するセパレータシステムを提供する。一実施形態では、例えば、これらのコンポーネントのいずれかの表面エネルギーは、電解質に対する層の濡れ性を向上させる。一実施形態では、例えば、これらのコンポーネントのいずれかの表面エネルギーは、相互又は電気化学セルの電極に対する層の取り付けに役立つ。 In one aspect, the present invention provides a first high mechanical strength layer, a second high mechanical strength layer, a third high mechanical strength layer, a fourth high mechanical strength layer, a low ion resistance layer, a frame layer, a spacer, a chemical barrier layer. At least some, or any combination thereof, provides a separator system having a high surface energy, preferably a surface energy of 10 mJ / m 2 or higher for some applications. In one embodiment, for example, the surface energy of any of these components improves the wettability of the layer to the electrolyte. In one embodiment, for example, the surface energy of any of these components serves to attach the layers to each other or to the electrodes of the electrochemical cell.
一態様では、セパレータは、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、及び第4高機械強度層のいずれかに設けた1つ又は複数のコーティングをさらに備える。一実施形態では、例えば、1つ又は複数のコーティングは独立して、1つ又は複数の非導電性コーティングを含む。一実施形態では、例えば、1つ又は複数のコーティングは独立して、1つ又は複数の疎水性コーティング及び/又は親水性コーティングを含む。一実施形態では、例えば、1つ又は複数のコーティングは独立して、ポリエチレングリコールを含む。一実施形態では、例えば、1つ又は複数のコーティングは、電気化学セルの正電極から負電極への物質輸送を防止する。一実施形態では、例えば、1つ又は複数のコーティングは独立して、10nm〜2μmの範囲から選択される厚さを有する。一実施形態では、例えば、セパレータは、硫黄系カソードを有する電気化学セル用であり、1つ又は複数のコーティングは、疎水性のポリスルフィドを弾いて電気化学セルの性能及びサイクル寿命を向上させる。一実施形態では、疎水性又は親水性コーティングを、硫黄系カソードLi電池に設ける。最新の硫黄系カソードLi電池の問題は、電気化学反応が電解質において分解し、したがって電解質を通して硫黄電極からLi電極への材料(媒介ポリスルフィド)の通過に起因した著しい容量損失があり得ることである。この問題を防止するために、特定の実施形態のセパレータには、疎水性のポリスルフィドを弾くことで材料通過及び容量損失を妨げるポリエチレングリコール材料(親水性)を塗布する。本発明の実施形態におけるコーティングの使用は、いわば、例えばリチウム−空気及びリチウム水電気化学セルにおけるセパレータの疎水性コーティングにより、Liアノードを水分から保護するのにも有用である。 In one aspect, the separator further comprises one or more coatings provided on any of the first high mechanical strength layer, the second high mechanical strength layer, the third high mechanical strength layer, and the fourth high mechanical strength layer. . In one embodiment, for example, the one or more coatings independently include one or more non-conductive coatings. In one embodiment, for example, the one or more coatings independently comprise one or more hydrophobic and / or hydrophilic coatings. In one embodiment, for example, the one or more coatings independently comprise polyethylene glycol. In one embodiment, for example, the one or more coatings prevent mass transport from the positive electrode to the negative electrode of the electrochemical cell. In one embodiment, for example, the one or more coatings independently have a thickness selected from the range of 10 nm to 2 μm. In one embodiment, for example, the separator is for an electrochemical cell having a sulfur-based cathode, and the one or more coatings repel hydrophobic polysulfides to improve electrochemical cell performance and cycle life. In one embodiment, a hydrophobic or hydrophilic coating is provided on the sulfur-based cathode Li battery. The problem with modern sulfur-based cathode Li batteries is that the electrochemical reaction decomposes in the electrolyte, and thus there can be significant capacity loss due to the passage of material (mediated polysulfide) from the sulfur electrode to the Li electrode through the electrolyte. To prevent this problem, the separator of certain embodiments is coated with a polyethylene glycol material (hydrophilic) that prevents material passage and capacity loss by repelling hydrophobic polysulfide. The use of the coating in embodiments of the present invention is also useful to protect the Li anode from moisture, for example, by the hydrophobic coating of the separator in lithium-air and lithium water electrochemical cells.
一実施形態では、例えば、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、及び第4高機械強度層のいずれかは独立して、Al、Ni、Cu、及びステンレス鋼からなる群から任意に選択される金属層である。一実施形態では、例えば、コーティングは、PTFE、PE、PP、PVC、又はポリイミドを任意に含む非導電性コーティングである。 In one embodiment, for example, any of the first high mechanical strength layer, the second high mechanical strength layer, the third high mechanical strength layer, and the fourth high mechanical strength layer is independently Al, Ni, Cu, and It is a metal layer arbitrarily selected from the group consisting of stainless steel. In one embodiment, for example, the coating is a non-conductive coating optionally comprising PTFE, PE, PP, PVC, or polyimide.
本発明は、一定範囲の電気化学システムで有用なセパレータシステムを含む。一実施形態では、例えば、本発明は、一次電気化学セル又は二次電気化学セル用のセパレータシステムを提供する。一実施形態では、例えば、本発明は、リチウム電池、アルカリ電池、亜鉛電池、又は鉛蓄電池用のセパレータシステムを提供する。一実施形態では、例えば、本発明は、リチウム金属−空気電池、リチウムイオン電池、リチウム空気電池、Fe−空気電池、Al−空気電池、又は亜鉛−空気電池用のセパレータシステムを提供する。一実施形態では、例えば、本発明は、燃料電池、フロー電池システム、半固体電池、3D電池、ナノ電池、マイクロ電池、又は電気化学キャパシタ用のセパレータシステムを提供する。 The present invention includes a separator system useful in a range of electrochemical systems. In one embodiment, for example, the present invention provides a separator system for a primary electrochemical cell or a secondary electrochemical cell. In one embodiment, for example, the present invention provides a separator system for a lithium battery, an alkaline battery, a zinc battery, or a lead acid battery. In one embodiment, for example, the present invention provides a separator system for lithium metal-air batteries, lithium ion batteries, lithium air batteries, Fe-air batteries, Al-air batteries, or zinc-air batteries. In one embodiment, for example, the present invention provides a separator system for a fuel cell, a flow cell system, a semi-solid cell, a 3D cell, a nano cell, a micro cell, or an electrochemical capacitor.
別の態様では、本発明は、(i)負電極と、(ii)正電極と、(iii)正電極と負電極との間に設けた第1電解質と、(iv)電解質と接触して負電極と正電極との間に設けた本発明のセパレータシステムとを備えた電気化学セルであって、セパレータシステムは、電解質のイオンを正電極と負電極との間で輸送可能であるよう位置決めされる電気化学セルを提供する。一態様では、セパレータシステムは、正電極と負電極との間の電気接触を防止する。当業者には理解されるように、本明細書に記載のセパレータシステムのいずれを電気化学セル等の本発明の電気化学システムに用いてもよい。 In another aspect, the present invention provides (i) a negative electrode, (ii) a positive electrode, (iii) a first electrolyte provided between the positive electrode and the negative electrode, and (iv) in contact with the electrolyte. An electrochemical cell comprising a separator system of the present invention disposed between a negative electrode and a positive electrode, the separator system positioned so that electrolyte ions can be transported between the positive electrode and the negative electrode An electrochemical cell is provided. In one aspect, the separator system prevents electrical contact between the positive and negative electrodes. As will be appreciated by those skilled in the art, any of the separator systems described herein may be used in the electrochemical system of the present invention, such as an electrochemical cell.
一実施形態では、例えば、セパレータシステムは、正電極及び負電極と物理的に接触して設けられる。一実施形態では、例えば、セパレータシステムは、正電極と負電極との間に1×10−3S/cm以上の、場合によってはいくつかの用途で好ましくは1×10−2S/cmを超えるイオン伝導率を提供する。一実施形態では、例えば、セパレータシステムは、正電極から負電極まで0.5Ωcm2〜25Ωcm2の範囲で選択される、好ましくはいくつかの用途で5Ωcm2未満の正味イオン抵抗を提供する。 In one embodiment, for example, the separator system is provided in physical contact with the positive and negative electrodes. In one embodiment, for example, the separator system is 1 × 10 −3 S / cm or more, preferably 1 × 10 −2 S / cm in some applications, between the positive and negative electrodes. Provides greater ionic conductivity. In one embodiment, for example, the separator system, the positive electrode to the negative electrode is selected from the range of 0.5Ωcm 2 ~25Ωcm 2, preferably provides a net ionic resistance of less than 5Omucm 2 in some applications.
一実施形態では、電気化学セルは、正電極と負電極との間に設けた化学障壁層をさらに備え、電気化学セルは、正電極と負電極との間に設けた第2電解質をさらに備え、化学障壁層は、第1電解質と第2電解質との混合を防止する。 In one embodiment, the electrochemical cell further comprises a chemical barrier layer provided between the positive electrode and the negative electrode, and the electrochemical cell further comprises a second electrolyte provided between the positive electrode and the negative electrode. The chemical barrier layer prevents mixing of the first electrolyte and the second electrolyte.
一実施形態では、例えば、高機械強度層のオフセット配列は、正電極と負電極との間に直接的な直線経路を提供しない。一実施形態では、例えば、オフセット配列は、製造欠陥、外的物体、又は、正電極又は負電極上のデンドライト形成による正電極と負電極との間の電気接触を介した短絡を防止する。この態様の実施形態は、例えば、デンドライト形成から生じる正電極から負電極への電気的短絡又は熱暴走問題を最小化又は防止するのに有益である。この態様の実施形態は、例えば、サイクル充電強化及び/又は高い放電率性能が可能な電気化学セルを提供するのに有用である。 In one embodiment, for example, the offset arrangement of the high mechanical strength layer does not provide a direct linear path between the positive and negative electrodes. In one embodiment, for example, the offset arrangement prevents manufacturing defects, external objects, or short circuits via electrical contact between the positive and negative electrodes due to dendrite formation on the positive or negative electrode. Embodiments of this aspect are beneficial, for example, in minimizing or preventing electrical shorts or thermal runaway problems from the positive electrode to the negative electrode resulting from dendrite formation. Embodiments of this aspect are useful, for example, to provide electrochemical cells capable of cycle charge enhancement and / or high discharge rate performance.
一実施形態では、例えば、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、第4高機械強度層、低イオン抵抗層、フレーム層、スペーサ、化学障壁層の少なくとも1つ、又はそれらの任意の組み合わせは、圧力、加熱、接着剤塗布、化学接着材、プラズマ処理により、又は1つの層若しくは電極への別の層の堆積又は塗布、若しくはそれらの任意の組み合わせにより、正電極又は負電極に少なくとも部分的に取り付けられる。一実施形態では、例えば、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、第4高機械強度層、低イオン抵抗層、フレーム層、スペーサ、化学障壁層の少なくとも1つ、又はそれらの任意の組み合わせは、接着剤、エポキシ、セメント、テフロンコーティング、固体電解質、ゲル電解質、又はポリマー電解質により、正電極又は負電極に少なくとも部分的に取り付けられる。一実施形態では、例えば、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、第4高機械強度層、低イオン抵抗層、フレーム層、スペーサ、化学障壁層の少なくとも1つ、又はそれらの任意の組み合わせは、正電極又は負電極の表面に堆積させたコーティングを含む。 In one embodiment, for example, at least one of a first high mechanical strength layer, a second high mechanical strength layer, a third high mechanical strength layer, a fourth high mechanical strength layer, a low ion resistance layer, a frame layer, a spacer, a chemical barrier layer One, or any combination thereof, can be by pressure, heating, adhesive application, chemical adhesive, plasma treatment, or deposition or application of another layer to one layer or electrode, or any combination thereof , At least partially attached to the positive or negative electrode. In one embodiment, for example, at least one of a first high mechanical strength layer, a second high mechanical strength layer, a third high mechanical strength layer, a fourth high mechanical strength layer, a low ion resistance layer, a frame layer, a spacer, a chemical barrier layer One, or any combination thereof, is at least partially attached to the positive or negative electrode by an adhesive, epoxy, cement, teflon coating, solid electrolyte, gel electrolyte, or polymer electrolyte. In one embodiment, for example, at least one of a first high mechanical strength layer, a second high mechanical strength layer, a third high mechanical strength layer, a fourth high mechanical strength layer, a low ion resistance layer, a frame layer, a spacer, a chemical barrier layer One, or any combination thereof, includes a coating deposited on the surface of the positive or negative electrode.
一実施形態では、例えば、本発明は、少なくとも300サイクル、好ましくはいくつかの用途で少なくとも500サイクルのサイクル容量を有する本セパレータシステムを組み込んだ電気化学セルを提供する。一実施形態では、例えば、本発明は、C/5以上の放電率で100mAh g−1以上の比容量を有する本セパレータシステムを組み込んだ電気化学セルを提供する。 In one embodiment, for example, the invention provides an electrochemical cell incorporating the separator system having a cycle capacity of at least 300 cycles, preferably at least 500 cycles for some applications. In one embodiment, for example, the present invention provides an electrochemical cell incorporating the separator system having a specific capacity of 100 mAh g −1 or higher at a discharge rate of C / 5 or higher.
本発明の電気化学セル及びセパレータシステムは、液体電解質、固体電解質、ゲル電解質、非プロトン性電解質、水性電解質、及び非水電解質を含む、一定範囲の電解質と適合性がある。一実施形態では、例えば、電解質は、固体電荷保持媒体又はゲル電極を含む。一実施形態では、例えば、電解質は高分子媒体を含む。一実施形態では、例えば、電解質は、ポリエチレンオキシド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、フッ素含有コポリマー、ポリアクリロニトリル、及びそれらの任意の組み合わせを含む。 The electrochemical cell and separator system of the present invention is compatible with a range of electrolytes, including liquid electrolytes, solid electrolytes, gel electrolytes, aprotic electrolytes, aqueous electrolytes, and non-aqueous electrolytes. In one embodiment, for example, the electrolyte comprises a solid charge retention medium or gel electrode. In one embodiment, for example, the electrolyte includes a polymeric medium. In one embodiment, for example, the electrolyte comprises polyethylene oxide, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, a fluorine-containing copolymer, polyacrylonitrile, and any combination thereof.
一実施形態では、例えば、電解質は、1つ又は複数の非水溶媒中に少なくとも部分的に溶解したアルカリ金属塩を含む。一実施形態では、例えば、電解質は、溶媒及び支持塩を含み、溶媒は、有機カーボネート、エーテル、エステル、ホルメート、ラクトン、スルホン、スルホラン、1,3−ジオキソラン、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネート、フルオロプロピレンカーボネート、y−ブチロラクトン、メチルジフルオロアセタート、エチルジフルオロアセタート、ジメトキシエタン、ジグライム(bis(2−メトキシエチル)エーテル)、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、2MeTHF、1,2−DME、又はより大きなグライム類、スルホラン、ギ酸メチル、酢酸メチル、及びそれらの組み合わせからなる群から選択され、支持塩は、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiClO4、LiSO3CF3、LiN(CF3SO2)2、LiN(SO2C2F5)2、それらの任意の組み合わせからなる群から選択される。一実施形態では、例えば、電解質は、PVdF、PVdF−HFPコポリマー、PAN、及びPEO、及びそれらの混合物から選択されるゴルフィング剤、EC、PC、DEC、DMC、EMC、THE、2MeTHF、1,2−DME、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される可塑剤、並びにLiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiClO4、LiSO3CF3、LiN(CF3SO2)2、及びLiN(SO2C2F5)2からなる群から選択されるLi塩を含む。 In one embodiment, for example, the electrolyte comprises an alkali metal salt at least partially dissolved in one or more non-aqueous solvents. In one embodiment, for example, the electrolyte includes a solvent and a supporting salt, and the solvent is an organic carbonate, ether, ester, formate, lactone, sulfone, sulfolane, 1,3-dioxolane, ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, Diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate, fluoroethylene carbonate, fluoropropylene carbonate, y-butyrolactone, methyl difluoroacetate, ethyl difluoroacetate, dimethoxyethane, diglyme (bis (2-methoxyethyl) ether), Tetrahydrofuran, dioxolane, 2MeTHF, 1,2-DME, or larger glymes, sulfolane, methyl formate, methyl acetate, and Is selected from the group consisting of these, the supporting salt, LiPF 6, LiBF 4, LiAsF 6, LiClO 4, LiSO 3 CF 3, LiN (CF 3 SO 2) 2, LiN (SO 2 C 2 F 5) 2 , selected from the group consisting of any combination thereof. In one embodiment, for example, the electrolyte is a golfing agent selected from PVdF, PVdF-HFP copolymer, PAN, and PEO, and mixtures thereof, EC, PC, DEC, DMC, EMC, THE, 2MeTHF, 1, A plasticizer selected from the group consisting of 2-DME, and combinations thereof, and LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiSO 3 CF 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , and LiN (SO 2 A Li salt selected from the group consisting of C 2 F 5 ) 2 .
一態様では、本発明は、正電極を含む第1側に第1電解質と、負電極を含む第2側に第2電解質とを有する電気化学セルを提供し、第1電解質は、第2電解質とは異なる組成を有し、電気化学セルは、正電極と負電極との間に位置決めしたイオン伝導性保護膜を含む1つ又は複数の化学障壁層をさらに備える。この態様の一実施形態では、第1電解質は水性電解質であり、第2電解質は非プロトン性電解質である。この態様の一実施形態では、第1電解質及び第2電解質の少なくとも一方は固体電解質である。 In one aspect, the present invention provides an electrochemical cell having a first electrolyte on a first side including a positive electrode and a second electrolyte on a second side including a negative electrode, wherein the first electrolyte is a second electrolyte. And the electrochemical cell further comprises one or more chemical barrier layers including an ion conductive protective film positioned between the positive electrode and the negative electrode. In one embodiment of this aspect, the first electrolyte is an aqueous electrolyte and the second electrolyte is an aprotic electrolyte. In one embodiment of this aspect, at least one of the first electrolyte and the second electrolyte is a solid electrolyte.
本発明の電気化学セル及びセパレータシステムは、一定範囲の組成、フォームファクタ、及び装置の幾何学的形状を有する電極と適合性がある。一実施形態では、例えば、負電極、正電極、又は両方が、マイクロサイズ材料又はナノサイズ材料を含む。本明細書で用いられる場合、ナノサイズは、1nm〜1000nmの範囲で選択される少なくとも1つの物理的寸法(例えば、長さ、高さ、幅、直径等)を有する粒子又は薄膜等の構造を指す。本明細書で用いられる場合、マイクロサイズは、1μm〜1000μmの範囲で選択される少なくとも1つの物理的寸法(例えば、長さ、高さ、幅、直径等)を有する粒子又は薄膜等の構造を指す。一実施形態では、例えば、負電極又は正電極は、活正電極粒子及び伝導性粒子の混合物等の粉体の形態である。一実施形態では、例えば、負電極又は正電極は薄膜の形態である。一実施形態では、例えば、本発明は、正電極又は負電極の少なくとも一方が溶媒和リチウム又は溶媒和リチウム合金等の溶媒和金属の形態である、電気化学セルを提供する。一実施形態では、例えば、本発明は、正電極又は負電極の少なくとも一方が溶融金属の形態である電気化学セルを提供する。 The electrochemical cell and separator system of the present invention is compatible with electrodes having a range of compositions, form factors, and device geometries. In one embodiment, for example, the negative electrode, the positive electrode, or both comprise a micro-sized material or a nano-sized material. As used herein, nanosize refers to a structure such as a particle or thin film having at least one physical dimension (eg, length, height, width, diameter, etc.) selected in the range of 1 nm to 1000 nm. Point to. As used herein, microsize refers to a structure such as a particle or thin film having at least one physical dimension (eg, length, height, width, diameter, etc.) selected in the range of 1 μm to 1000 μm. Point to. In one embodiment, for example, the negative or positive electrode is in the form of a powder, such as a mixture of active positive electrode particles and conductive particles. In one embodiment, for example, the negative or positive electrode is in the form of a thin film. In one embodiment, for example, the present invention provides an electrochemical cell wherein at least one of the positive electrode or the negative electrode is in the form of a solvated metal such as solvated lithium or a solvated lithium alloy. In one embodiment, for example, the present invention provides an electrochemical cell in which at least one of a positive electrode or a negative electrode is in the form of molten metal.
一実施形態では、例えば、本発明は、負電極が、リチウム、亜鉛、アルミニウム、ケイ素、スズ、アンチモン、鉛、ゲルマニウム、マグネシウム、カドミウム、ビスマス、インジウム、モリブデン、ニオブ、タングステン、タンタル、鉄、ニッケル、マンガン、銅、ナトリウム遷移金属リン酸塩、ナトリウム混合金属リン酸塩、Li4/3Ti5/3O4、黒鉛、スズの合金、コバルト、炭素、LiVO2、Li4Ti5O12、Li4/3Ti5/3O4 TiO2、WO2、及びMoO2からなる群から選択される材料を含む、電気化学セルを提供する。一実施形態では、例えば、本発明は、正電極が、黒鉛、LiCoO_2NiO_8O2、LiNiO2、LiFePO4、LiMnPO4、LiCoPO4、LiMn2O4、LiCoO2、LiNiO_5Mnl.5O4、LiVPO4F、酸化銀、酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化マンガン、AgO、Ag2O3、Zn、ZnO AgO、Ag2O、Ag2O3、HgO、Hg2O、CuO、CdO、NiOOH、Pb2O4、PbO2、LiFePO4、Li3V2(PO4)3、V6O13、V2O5、Fe3O4、Fe2O3、MnO2、LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiVO2、Li4Ti5O12、TiO2、WO2、及びMoO2からなる群から選択される材料を含む、電気化学セルを提供する。一実施形態では、例えば、本発明は、正電極が、(i)LixCoO2、LixNiO2、LixMn2O4、及びLiFePO4からなる群から選択されるリチウム化金属酸化物系カソードと、(ii)AgxV2O5、CuxV2O5、V2O5、V6O13、MnO2、CuO、Ag2CrO4、及びMoO3からなる群から選択され、xが0〜2の範囲である非リチウム化金属酸化物系カソードと、(iii)FeS2、TiS2、FeS、及びCuSからなる群から選択されるリチウム化金属酸化物系カソードと、(iv)硫黄元素、ポリスルフィド類、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される活性硫黄カソードと、(v)水等の水性の電気化学的に活性な成分、又は過酸化物、過酸化水素、O2、SO2、及びNO2等の気体状、液体状、及び固体状の酸化剤及びそれらの組み合わせからなる群から選択される水溶性酸化剤を含む、PEO/炭素/金属酸化物型カソード構造であり、水溶性固体酸化剤は、NaNO2、KNO2、Na2SO3、及びK2SO3からなる群から選択され、カソード構造の導電性コンポーネントは、ニッケル等の多孔質触媒担体であり、上記カソード構造の電気化学的に活性な材料は空気を含む、PEO/炭素/金属酸化物型カソード構造と、からなる群から選択される材料を含む電気化学セルを提供する。 In one embodiment, for example, the invention provides that the negative electrode is lithium, zinc, aluminum, silicon, tin, antimony, lead, germanium, magnesium, cadmium, bismuth, indium, molybdenum, niobium, tungsten, tantalum, iron, nickel , manganese, copper, sodium transition metal phosphate, sodium mixed metal phosphates, Li 4 / 3Ti5 / 3O 4 , graphite, tin alloy, cobalt, carbon, LiVO 2, Li 4 Ti 5 O 12, Li4 / 3Ti5 An electrochemical cell is provided that includes a material selected from the group consisting of / 3O 4 TiO 2 , WO 2 , and MoO 2 . In one embodiment, for example, the present invention is a positive electrode, graphite, LiCoO_2NiO_8O 2, LiNiO 2, LiFePO 4, LiMnPO 4, LiCoPO 4, LiMn 2 O 4, LiCoO 2, LiNiO_5Mnl. 5O 4 , LiVPO 4 F, silver oxide, nickel oxide, cobalt oxide, manganese oxide, AgO, Ag 2 O 3 , Zn, ZnO AgO, Ag 2 O, Ag 2 O 3 , HgO, Hg 2 O, CuO, CdO, NiOOH, Pb 2 O 4 , PbO 2 , LiFePO 4 , Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 , V 6 O 13 , V 2 O 5 , Fe 3 O 4 , Fe 2 O 3 , MnO 2 , LiCoO 2 , LiNiO An electrochemical cell is provided that includes a material selected from the group consisting of 2 , LiMn 2 O 4 , LiVO 2 , Li 4 Ti 5 O 12 , TiO 2 , WO 2 , and MoO 2 . In one embodiment, for example, the invention provides that the positive electrode is (i) a lithiated metal oxide based cathode selected from the group consisting of LixCoO 2 , Li x NiO 2 , LixMn 2 O 4 , and LiFePO 4 ; (Ii) selected from the group consisting of Ag x V 2 O 5 , Cu x V 2 O 5 , V 2 O 5 , V 6 O 13 , MnO 2 , CuO, Ag 2 CrO 4 , and MoO 3 , and x is 0 and non-lithiated metal oxide cathode which is in the range to 2, and the (iii) FeS 2, TiS 2 , FeS, and lithiated metal oxide cathode which is selected from the group consisting of CuS, (iv) elemental sulfur An active sulfur cathode selected from the group consisting of, polysulfides, and combinations thereof; and (v) an aqueous electrochemically active component such as water, or peroxide, water peroxide , O 2, SO 2, and NO 2 or the like of gaseous, liquid, and solid oxidizing agent and a water-soluble oxidizing agent selected from the group consisting of a combination thereof, PEO / carbon / metal oxide The cathode structure and the water-soluble solid oxidant is selected from the group consisting of NaNO 2 , KNO 2 , Na 2 SO 3 , and K 2 SO 3 , and the conductive component of the cathode structure is a porous catalyst carrier such as nickel And the electrochemically active material of the cathode structure includes an air, PEO / carbon / metal oxide type cathode structure, and an electrochemical cell comprising a material selected from the group consisting of:
本発明の電気化学セルは、一次電気化学セル及び二次電気化学セルを含む。一実施形態では、例えば、本発明は、リチウム電池、アルカリ電池、亜鉛電池、鉛蓄電池、リチウム金属−空気電池、リチウムイオン電池、リチウム空気電池、Fe−空気電池、Al−空気電池、又は亜鉛−空気電池を含む電気化学セルを提供する。一実施形態では、例えば、本発明は、燃料電池、フロー電池システム、半固体電池、3D電池、ナノ電池、マイクロ電池、又は電気化学キャパシタを含む電気化学セルを提供する。一実施形態では、例えば、本発明は、薄膜電池を含む電気化学セルを提供する。一実施形態では、例えば、本発明は、アルカリ金属イオン電池である電気化学セルを提供する。 The electrochemical cell of the present invention includes a primary electrochemical cell and a secondary electrochemical cell. In one embodiment, for example, the present invention provides a lithium battery, alkaline battery, zinc battery, lead acid battery, lithium metal-air battery, lithium ion battery, lithium air battery, Fe-air battery, Al-air battery, or zinc- An electrochemical cell including an air battery is provided. In one embodiment, for example, the invention provides an electrochemical cell comprising a fuel cell, a flow battery system, a semi-solid battery, a 3D battery, a nano battery, a micro battery, or an electrochemical capacitor. In one embodiment, for example, the present invention provides an electrochemical cell that includes a thin film battery. In one embodiment, for example, the present invention provides an electrochemical cell that is an alkali metal ion battery.
一実施形態では、例えば、本発明は、1つ又は複数のリチウムイオン電気化学セル等の1つ又は複数の電気化学セルを備えた電池パックを提供する。当業者には理解されるように、本発明のセパレータシステム及び電気化学セルのいずれを本発明のアルカリ金属燃料電池に用いてもよい。 In one embodiment, for example, the present invention provides a battery pack comprising one or more electrochemical cells, such as one or more lithium ion electrochemical cells. As will be appreciated by those skilled in the art, either the separator system or the electrochemical cell of the present invention may be used in the alkali metal fuel cell of the present invention.
一態様では、本発明は、アルカリ金属燃料電池であって、(i)固体アルカリ金属及び溶媒中に溶解したアルカリ金属を燃料として含む再生可能なアノードと、(ii)固定の電子伝導性コンポーネント、アルカリ金属のイオン用の電解質を含むイオン伝導性コンポーネント、及び電池の動作環境から得られる流体酸化剤を含むカソード構造と、(iii)アノード及びカソード構造間に設けた本発明のセパレータシステムとを備えた、アルカリ金属燃料電池を提供する。当業者には理解されるように、本明細書に記載のセパレータシステムのいずれを本発明のアルカリ金属燃料電池に用いてもよい。 In one aspect, the present invention provides an alkali metal fuel cell comprising: (i) a renewable anode comprising a solid alkali metal and an alkali metal dissolved in a solvent as fuel; and (ii) a fixed electronically conductive component; An ion conductive component including an electrolyte for an alkali metal ion; and a cathode structure including a fluid oxidant obtained from the operating environment of the battery; and (iii) a separator system of the present invention disposed between the anode and the cathode structure. An alkali metal fuel cell is provided. As will be appreciated by those skilled in the art, any of the separator systems described herein may be used in the alkali metal fuel cells of the present invention.
一態様では、本発明は、電気化学セルを作製する方法であって、(i)負電極を設けるステップと、(ii)正電極を設けるステップと、(iii)正電極と負電極との間に電解質を設けるステップと、(iv)正電極と負電極との間に位置決めしたセパレータシステムを設けるステップであり、セパレータシステムは、(i) 第1高機械強度層であり、第1高機械強度層を貫通して第1パターンで設けた複数の開口を有する第1高機械強度層と、(ii)第2高機械強度層であり、第2高機械強度層を貫通して第2パターンで設けた複数の開口を有し、第2パターンは、第1高機械強度層から第2高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第1高機械強度層の開口と第2高機械強度層の開口との重なりが20%以下であるように第1パターンに対してオフセット配列を有する第2高機械強度層とを備え、第1高機械強度層及び第2高機械強度層は、第1高機械強度層及び第2高機械強度層に接触して設けた電解質のイオンを第1高機械強度層及び第2高機械強度層を通して輸送可能であるように位置決めされる、セパレータシステムを設けるステップとを含む方法を提供する。一実施形態では、セパレータシステムは、電解質と少なくとも部分的に物理的に接触する。一実施形態では、本方法は、正電極と負電極との間にイオン伝導性化学障壁を設けるステップをさらに含み、イオン伝導性化学障壁は、正電極と接触した第1電解質を負電極と接触した第2電解質から分離し、第1電解質は第2電解質とは異なる組成を有し、イオン伝導性化学障壁は、第1電解質と第2電解質との混合を防止する。当業者には概して理解されるように、本セパレータシステムと、本明細書に記載のコンポーネント、材料、及び特性の特定の実施形態及び組み合わせの全てを含む本発明のシステムとのいずれを、本電気化学セルを作製する方法で用いてもよい。 In one aspect, the present invention is a method of making an electrochemical cell comprising: (i) providing a negative electrode; (ii) providing a positive electrode; and (iii) between the positive and negative electrodes. And (iv) providing a separator system positioned between the positive electrode and the negative electrode, wherein the separator system is (i) a first high mechanical strength layer, and a first high mechanical strength. A first high mechanical strength layer having a plurality of openings provided in a first pattern penetrating the layer; and (ii) a second high mechanical strength layer, and penetrating the second high mechanical strength layer in a second pattern. The second pattern has a plurality of openings provided, and the second pattern includes openings of the first high mechanical strength layer and an second high mechanical strength layer along an axis extending vertically from the first high mechanical strength layer to the second high mechanical strength layer The first pattern is such that the overlap with the opening of 20% or less A second high mechanical strength layer having an offset arrangement, and the first high mechanical strength layer and the second high mechanical strength layer are provided in contact with the first high mechanical strength layer and the second high mechanical strength layer. Providing a separator system positioned so that ions of the electrolyte can be transported through the first high mechanical strength layer and the second high mechanical strength layer. In one embodiment, the separator system is at least partially in physical contact with the electrolyte. In one embodiment, the method further includes providing an ion conductive chemical barrier between the positive electrode and the negative electrode, the ion conductive chemical barrier contacting the first electrolyte in contact with the positive electrode with the negative electrode. The first electrolyte has a composition different from that of the second electrolyte, and the ion conductive chemical barrier prevents mixing of the first electrolyte and the second electrolyte. As is generally understood by those skilled in the art, any of the separator system and the system of the present invention that includes all the specific embodiments and combinations of components, materials, and properties described herein can be You may use with the method of producing a chemical cell.
一態様では、本発明は、電流を発生させる方法であって、(i)電気化学セルを設けるステップであり、電気化学セルは、(1)第1高機械強度層であり、第1高機械強度層を貫通して第1パターンで設けた複数の開口を有する第1高機械強度層と、(2)第2高機械強度層であり、第2高機械強度層を貫通して第2パターンで設けた複数の開口を有し、第2パターンは、第1高機械強度層から第2高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第1高機械強度層の開口と第2高機械強度層の開口との重なりが20%以下であるように第1パターンに対してオフセット配列を有する第2高機械強度層とを備え、第1高機械強度層及び第2高機械強度層は、第1高機械強度層及び第2高機械強度層に接触して設けた電解質のイオンを第1高機械強度層及び第2高機械強度層を通して輸送可能であるように位置決めされる、電気化学セルを設けるステップと、(ii)電気化学セルを放電させるステップとを含む方法を提供する。一実施形態では、この態様の方法は、電気化学セルを充電するステップをさらに含む。一実施形態では、この態様の方法は、電気化学セルを複数の充電及び放電サイクルでサイクル充電するステップをさらに含む。当業者には概して理解されるように、本セパレータシステムと、本明細書に記載のコンポーネント、材料、及び特性の特定の実施形態及び組み合わせの全てを含む本発明のシステムとのいずれを、本電流を発生させる方法で用いてもよい。 In one aspect, the present invention is a method for generating an electric current, the method comprising: (i) providing an electrochemical cell, wherein the electrochemical cell is (1) a first high mechanical strength layer; A first high mechanical strength layer having a plurality of openings provided in a first pattern penetrating the strength layer; and (2) a second high mechanical strength layer, the second pattern penetrating the second high mechanical strength layer. The second pattern includes openings of the first high mechanical strength layer and an axis of the second high mechanical strength along an axis extending perpendicularly from the first high mechanical strength layer to the second high mechanical strength layer. A second high mechanical strength layer having an offset arrangement with respect to the first pattern so that an overlap with an opening of the layer is 20% or less, and the first high mechanical strength layer and the second high mechanical strength layer are Electrolyte ions provided in contact with the first high mechanical strength layer and the second high mechanical strength layer are converted into the first high mechanical strength layer. And it is positioned so as to be transported through the second high mechanical strength layer, provides the steps of: providing an electrochemical cell, the method comprising the steps of discharging the (ii) an electrochemical cell. In one embodiment, the method of this aspect further comprises charging the electrochemical cell. In one embodiment, the method of this aspect further comprises the step of cycle charging the electrochemical cell with a plurality of charge and discharge cycles. As will be generally understood by those skilled in the art, the current separator system and the system of the present invention, including all specific embodiments and combinations of components, materials, and properties described herein, You may use by the method of generating.
理論に束縛されることを望むものではないが、本発明に関する基本原理又は機構の概要又は理解に関して、本明細書で説明され得る。説明又は仮説の最終的な正確さに関係なく、本発明の実施形態は有効且つ有用であることが認識される。 While not wishing to be bound by theory, it can be described herein for an overview or understanding of the basic principles or mechanisms for the present invention. Regardless of the final accuracy of the explanation or hypothesis, it is recognized that embodiments of the present invention are effective and useful.
概して、本明細書で用いる用語及び句は、当業者に既知の標準的な教科書、雑誌文献、及び文脈を参照して見ることができる、当該技術分野において認知されている意味を有する。以下の定義は、本発明に関する特定の用途を明確化するために提供される。 In general, the terms and phrases used herein have art-recognized meanings that can be viewed with reference to standard textbooks, journal literature, and context known to those skilled in the art. The following definitions are provided to clarify specific applications for the present invention.
図面を参照すると、同様の符号は、同様の符号は同様の要素を示し、2つ以上の図面に現れる同じ番号は同じ要素を指す。さらに、下記では以下の定義が適用される。 Referring to the drawings, like numerals indicate like elements and the same number appearing in more than one figure refers to the same element. In addition, the following definitions apply below.
用語「電気化学セル」は、化学エネルギーを電気エネルギーに、又は電気エネルギーを化学エネルギーに変換する装置及び/又は装置コンポーネントを指す。電気化学セルは、2つ以上の電極(例えば、正電極及び負電極)及び電解質を有し、電極表面で生じる電極反応は、電荷移動プロセスをもたらす。電気化学セルとして、限定はされないが、一次電池、二次電池、及び電解システムが挙げられる。特定の実施形態では、電気化学セルという用語は、燃料電池、スーパーキャパシタ、キャパシタ、フロー電池、金属−空気電池、及び半固体電池を含む。一般的なセル及び/又は電池構成は、当該技術分野で既知であり、例えば、米国特許第6,489,055号、第4,052,539号、第6,306,540号、Seel and Dahn J. Electrochem. Soc. 147(3)892−898 (2000)を参照されたい。 The term “electrochemical cell” refers to a device and / or device component that converts chemical energy into electrical energy or electrical energy into chemical energy. An electrochemical cell has two or more electrodes (eg, positive and negative electrodes) and an electrolyte, and the electrode reaction that occurs at the electrode surface results in a charge transfer process. Electrochemical cells include, but are not limited to, primary batteries, secondary batteries, and electrolysis systems. In certain embodiments, the term electrochemical cell includes fuel cells, supercapacitors, capacitors, flow batteries, metal-air batteries, and semi-solid batteries. Common cell and / or battery configurations are known in the art, such as US Pat. Nos. 6,489,055, 4,052,539, 6,306,540, Seel and Dahn. J. et al. Electrochem. Soc. 147 (3) 892-898 (2000).
用語「容量」は、電池等の電気化学セルが保持できる総電荷量を指す電気化学セルの特徴である。容量は、通常はアンペア時の単位で表す。用語「比容量」は、単位重量あたりの電池等の電気化学セルの容量出力を指す。比容量は、通常はアンペア時kg−1の単位で表す。 The term “capacity” is a characteristic of an electrochemical cell that refers to the total amount of charge that an electrochemical cell such as a battery can hold. Capacity is usually expressed in units of ampere hours. The term “specific capacity” refers to the capacity output of an electrochemical cell such as a battery per unit weight. Specific capacity is usually expressed in units of kg- 1 ampere-hours.
用語「放電率」は、電気化学セルが放電される電流に関する。放電率は、アンペア単位で表すことができる。代替的に、放電率は、電気化学セルの定格容量に正規化してC/(Xt)として表すことができ、式中、Cは電気化学セルの容量であり、Xは変数であり、tは本明細書で用いられる場合は1時間に等しい指定の時間単位である。 The term “discharge rate” relates to the current at which the electrochemical cell is discharged. The discharge rate can be expressed in amperes. Alternatively, the discharge rate can be normalized to the rated capacity of the electrochemical cell and expressed as C / (Xt), where C is the capacity of the electrochemical cell, X is a variable, and t is As used herein, a specified time unit equal to one hour.
「電流密度」は、単位電極面積あたりに流れる電流を指す。 “Current density” refers to the current flowing per unit electrode area.
電極は、イオン及び電子を電解質と交換する導体と外部回路とを指す。「正電極」及び「カソード」は、本明細書では同義に用いられ、電気化学セルにおいて高い電極電位(すなわち、負電極よりも高い)を有する電極を指す。「負電極」及び「アノード」は、本明細書では同義に用いられ、電気化学セルにおいて低い電極電位(すなわち、正電極よりも低い)を有する電極を指す。カソード還元は、化学種の電子(単数又は複数)の獲得を指し、アノード酸化は、化学種の電子(単数又は複数)の損失を指す。本電気化学セルの正電極及び負電極は、アセチレンブラック、カーボンブラック、粉末状黒鉛、コークス、炭素繊維、グラフェン、及び金属粉末等の導電性希釈剤をさらに備えることができ、且つ/又はポリマーバインダ等のバインダをさらに備えることができる。いくつかの実施形態で正電極に有用なバインダは、ポリフッ化ビニル(PVDF)等のフルオロポリマーを含む。本発明の正電極及び負電極は、電気化学及び電池科学の分野で既知の一定範囲の有用な構成及びフォームファクタで設けることができ、これには、薄膜電極構成等の薄い電極設計が含まれる。電極は、本明細書に開示し且つ当該技術分野で既知のように、例えば、米国特許第4.052,539号、第6.306,540号、及び第6.852,446号に例えば開示されているように製造される。いくつかの実施形態では、電極は、電極物質のスラリー、導電性の不活性材料、バインダ、及び液体キャリアを電極集電体に堆積させてから、キャリアを蒸発させて緻密体を集電体と電気接触させることにより、通常は作製される。 An electrode refers to a conductor that exchanges ions and electrons with an electrolyte and an external circuit. “Positive electrode” and “cathode” are used interchangeably herein and refer to an electrode having a high electrode potential (ie, higher than a negative electrode) in an electrochemical cell. “Negative electrode” and “anode” are used interchangeably herein and refer to an electrode having a low electrode potential (ie, lower than a positive electrode) in an electrochemical cell. Cathodic reduction refers to the acquisition of electron (s) of a chemical species, and anodic oxidation refers to the loss of electron (s) of a chemical species. The positive electrode and the negative electrode of the electrochemical cell may further include a conductive diluent such as acetylene black, carbon black, powdered graphite, coke, carbon fiber, graphene, and metal powder, and / or a polymer binder. Etc. can be further provided. Binders useful for the positive electrode in some embodiments include fluoropolymers such as polyvinyl fluoride (PVDF). The positive and negative electrodes of the present invention can be provided in a range of useful configurations and form factors known in the fields of electrochemical and battery science, including thin electrode designs such as thin film electrode configurations. . The electrodes are disclosed, for example, in US Pat. Nos. 4.052,539, 6.306,540, and 6.852,446 as disclosed herein and known in the art. Manufactured as is. In some embodiments, the electrode comprises depositing a slurry of electrode material, a conductive inert material, a binder, and a liquid carrier on the electrode current collector and then evaporating the carrier to form a dense body with the current collector. It is usually made by electrical contact.
「電極電位」は、種々の酸化(原子価)状態で化学種が参照電極内に又はこれと接触して存在することによる、この電極に対して通常測定される電圧を指す。 “Electrode potential” refers to the voltage normally measured for this electrode due to the presence of a chemical species in or in contact with the reference electrode in various oxidation (valence) states.
「電解質」は、固体状態、液体状態(最も一般的)、又はより頻度は低いがガス(例えば、プラズマ)であり得るイオン伝導体を指す。 “Electrolyte” refers to an ionic conductor that can be in the solid state, the liquid state (most common), or less frequently a gas (eg, a plasma).
「標準電極電位」(E°)は、溶質の濃度が1M、ガス圧が1atm、温度が25℃である場合の電極電位を指す。本明細書で用いられる場合、標準電極電位は、標準水素電極に対して測定される。 “Standard electrode potential” (E °) refers to the electrode potential when the solute concentration is 1 M, the gas pressure is 1 atm, and the temperature is 25 ° C. As used herein, standard electrode potential is measured against a standard hydrogen electrode.
「活物質」は、電気化学セルにエネルギーを蓄積及び/又は伝達する電気化学反応に関与する電極における材料を指す。 “Active material” refers to a material in an electrode that participates in an electrochemical reaction that stores and / or transmits energy to an electrochemical cell.
「カチオン」は、正に帯電したイオンを指し、「アニオン」は、負に帯電したイオンを指す。 “Cation” refers to positively charged ions, and “anion” refers to negatively charged ions.
「電気接触」及び「電気連通」は、電流が物体から物体へ効率的に流れるような1つ又は複数の物体の配置を指す。例えば、いくつかの実施形態では、両者間の電気抵抗が100Ω未満である2つの物体が、相互に電気連通していると考えられる。電気接触は、外部の装置又は回路との電気連通、例えば電気相互接続を確立するのに用いる装置又は物体のコンポーネントも指し得る。「電気連通」は、電子移動の形態等での相互間の電荷移動が可能な2つ以上の材料及び/又は構造の能力を指す。いくつかの実施形態では、電気連通したコンポーネントは、直接的に電気連通しており、電子信号又は電荷担体がコンポーネントからコンポーネントへ直接移送される。いくつかの実施形態では、電気連通したコンポーネントは、間接的に電気連通しており、電子信号又は電荷担体が、コンポーネントを分離する回路素子等の1つ又は複数の中間構造を介してコンポーネントからコンポーネントへ間接的に移送される。 “Electrical contact” and “electrical communication” refer to an arrangement of one or more objects such that current flows efficiently from object to object. For example, in some embodiments, two objects that have an electrical resistance between them of less than 100Ω are considered to be in electrical communication with each other. Electrical contact can also refer to components of a device or object used to establish electrical communication, eg, electrical interconnections, with external devices or circuits. “Electric communication” refers to the ability of two or more materials and / or structures that are capable of charge transfer between each other, such as in the form of electron transfer. In some embodiments, the components in electrical communication are in direct electrical communication and electronic signals or charge carriers are transferred directly from component to component. In some embodiments, the components in electrical communication are in indirect electrical communication, and the electronic signal or charge carrier is component-to-component via one or more intermediate structures such as circuit elements that separate the components. Indirectly transferred to
「熱接触」及び「熱連通」は、同義に用いられ、集電体又は伝熱棒及びヒートシンク又は熱源等の要素又は材料が熱的に分離又は熱的に絶縁された場合よりも2つの要素間で熱が効率的に伝達されるような、それらの向き又は位置を指す。要素又は材料は、熱的に分離又は熱的に絶縁された場合よりも急速に両者間に熱が輸送される場合に、熱連通又は熱接触していると考えられる。熱連通又は熱接触した2つの要素は、熱平衡又は熱的定常状態に達することができ、いくつかの実施形態では、常に相互に対して熱平衡又は熱的定常状態にあると考えられ得る。いくつかの実施形態では、相互に熱連通した要素は、熱伝導材料又は中間熱伝導材料若しくは装置コンポーネントにより相互に分離される。いくつかの実施形態では、相互に熱連通した要素は、1μm以下の距離だけ分離される。いくつかの実施形態では、相互に熱連通した要素は、物理的に接触して設けられる。 “Thermal contact” and “thermal communication” are used synonymously and are two elements than if the elements or materials such as current collector or heat transfer rod and heat sink or heat source are thermally separated or thermally insulated. Refers to their orientation or position such that heat is efficiently transferred between them. An element or material is considered to be in thermal communication or contact when heat is transferred between them more rapidly than if it were thermally separated or thermally insulated. Two elements in thermal communication or contact can reach thermal equilibrium or thermal steady state, and in some embodiments can always be considered to be in thermal equilibrium or thermal steady state with respect to each other. In some embodiments, elements in thermal communication with each other are separated from each other by a heat conducting material or an intermediate heat conducting material or device component. In some embodiments, the elements in thermal communication with each other are separated by a distance of 1 μm or less. In some embodiments, the elements in thermal communication with each other are provided in physical contact.
「高機械強度」は、例えば二次電気化学セルの充放電サイクル中に電気化学セルの正電極と負電極との間のデンドライト成長を防止するのに十分な機械的強度を有する、第1高機械強度層、第2高機械強度層、第3高機械強度層、及び第4高機械強度層等の本発明のセパレータシステムのコンポーネントの特性を指す。一実施形態では、例えば、高機械強度層は、電極間のデンドライト成長に起因した貫通を防止するのに十分な機械的強度を有する。一実施形態では、例えば、高機械強度層は、電気化学セルの正電極と負電極との間のデンドライト成長に起因した両電極間の短絡を防止するのに十分な機械的強度を有する。一実施形態では、例えば、高機械強度層は、500MPa以上のヤング率、場合によってはいくつかの用途で1GPa以上のヤング率、場合によってはいくつかの用途で10GPa以上のヤング率、場合によってはいくつかの用途で100GPa以上のヤング率を特徴とする。一実施形態では、例えば、高機械強度層は、5MPa以上の降伏強度、場合によってはいくつかの用途で50MPa以上の降伏強度、場合によってはいくつかの用途で100MPa以上の降伏強度、場合によってはいくつかの用途で500MPa以上の降伏強度を特徴とする。一実施形態では、例えば、高機械強度層は、0.005N以上の引裂強度、場合によってはいくつかの用途で0.05N以上の引裂強度、0.5N以上の引裂強度、1N以上の引裂強度を特徴とする。一実施形態では、例えば、高機械強度層は、10N以上の初期引裂強度、場合によってはいくつかの用途で100以上の初期引裂強度を特徴とする。一実施形態では、例えば、高機械強度層は、50MPa以上の引張強度、場合によってはいくつかの用途で100MPa以上の引張強度、場合によってはいくつかの用途で500MPa以上の引張強度、場合によってはいくつかの用途で1GPa以上の引張強度を特徴とする。一実施形態では、例えば、高機械強度層は、10Ncm以上の衝撃強度、場合によってはいくつかの用途で50Ncm以上の衝撃強度、場合によってはいくつか用途で100Ncm以上の衝撃強度、場合によってはいくつかの用途で500Ncm以上の衝撃強度を特徴とする。 “High mechanical strength” refers to a first high mechanical strength that is sufficient to prevent dendrite growth between the positive and negative electrodes of the electrochemical cell, for example during a charge / discharge cycle of a secondary electrochemical cell. It refers to the characteristics of the components of the separator system of the present invention, such as a mechanical strength layer, a second high mechanical strength layer, a third high mechanical strength layer, and a fourth high mechanical strength layer. In one embodiment, for example, the high mechanical strength layer has sufficient mechanical strength to prevent penetration due to dendrite growth between the electrodes. In one embodiment, for example, the high mechanical strength layer has sufficient mechanical strength to prevent a short circuit between the electrodes due to dendrite growth between the positive and negative electrodes of the electrochemical cell. In one embodiment, for example, the high mechanical strength layer has a Young's modulus of 500 MPa or more, in some cases a Young's modulus of 1 GPa or more in some applications, and in some cases a Young's modulus of 10 GPa or more, in some cases. It is characterized by a Young's modulus of 100 GPa or more in some applications. In one embodiment, for example, the high mechanical strength layer has a yield strength of 5 MPa or more, in some cases a yield strength of 50 MPa or more, and in some cases a yield strength of 100 MPa or more, in some cases. Characterized by yield strength of 500 MPa or more in some applications. In one embodiment, for example, the high mechanical strength layer has a tear strength of 0.005 N or greater, and in some applications, a tear strength of 0.05 N or greater, a tear strength of 0.5 N or greater, and a tear strength of 1 N or greater. It is characterized by. In one embodiment, for example, the high mechanical strength layer is characterized by an initial tear strength of 10 N or higher, and possibly an initial tear strength of 100 or higher in some applications. In one embodiment, for example, the high mechanical strength layer has a tensile strength of 50 MPa or more, in some cases a tensile strength of 100 MPa or more in some applications, and in some cases a tensile strength of 500 MPa or more, in some cases. It is characterized by a tensile strength of 1 GPa or more in some applications. In one embodiment, for example, the high mechanical strength layer has an impact strength of 10 Ncm or more, in some cases an impact strength of 50 Ncm or more in some applications, in some cases an impact strength of 100 Ncm or more in some applications, It is characterized by an impact strength of 500 Ncm or more.
「耐薬品性」は、電気化学セル等の電気化学システムの作動環境において引張保持率及び伸び保持率が少なくとも90%である、本発明のセパレータ及び電気化学システムの層等のコンポーネントの特性を指す。 “Chemical resistance” refers to the property of a component, such as a separator and a layer of an electrochemical system of the present invention, that has a tensile retention and elongation retention of at least 90% in the operating environment of an electrochemical system such as an electrochemical cell. .
「熱的に安定」は、融点が100℃を超え、好ましくはいくつかの実施形態で300℃を超え、場合によっては熱膨張率が50ppm/℃未満である、本発明のセパレータ及び電気化学システムの層等のコンポーネントの特性を指す。一実施形態では、「熱的に安定」は、電気化学セルの性能を大幅に低下させる温度と共にサイズ又は形状の変化を起こさずに充電式電気化学セルで実施できるような、セパレータシステムのコンポーネントの特性を指す。 “Thermal stability” is a separator and electrochemical system of the invention having a melting point above 100 ° C., preferably in some embodiments above 300 ° C., and in some cases with a coefficient of thermal expansion of less than 50 ppm / ° C. Refers to the characteristics of a component such as a layer. In one embodiment, “thermally stable” is a component of a separator system that can be implemented in a rechargeable electrochemical cell without causing a change in size or shape with a temperature that significantly reduces the performance of the electrochemical cell. Refers to characteristics.
「多孔度」は、開口、チャネル、空隙等の孔に対応する高機械強度層等の材料又はコンポーネントの量を指す。多孔度は、高機械強度層等の材料、構造、又は装置コンポーネントが占める総体積に対する、孔、チャネル、空隙等の孔に対応する材料、構造、又は装置コンポーネントの体積の割合として表すことができる。 “Porosity” refers to the amount of a material or component, such as a high mechanical strength layer, that corresponds to pores such as openings, channels, voids and the like. Porosity can be expressed as the ratio of the volume of a material, structure, or device component corresponding to a hole such as a hole, channel, or void to the total volume occupied by the material, structure, or device component such as a high mechanical strength layer. .
図1は、コンプリメンタリな開口パターンを有する平行な第1高機械強度層及び第2高機械強度層を備えた電気化学システム用の多層セパレータシステム100(1)であり、第2開口パターンが、第1高機械強度層から第2高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第1パターンの開口と第2パターンの開口との重なりがないように第1パターンに対してオフセット配列を有する多層セパレータシステム100(1)の側面斜視図を提供する。図1に示すように、多層セパレータシステム100(1)は、複数の開口、例えば104(1)及び104(4)を備えた第1パターンを有する第1高機械強度層102(1)と、第2の複数の開口、例えば104(2)及び104(3)を備えた第2パターンを有する第2高機械強度層102(2)とを備える。第1層及び第2層は、高さH、長さL、及び幅又は厚さW等の平面状の幾何学的形状及び横寸法を特徴とする。図1に示すように、開口104は、第1高機械強度層102(1)又は第2高機械強度層102(2)の厚さを貫通する。各開口104も、高さh、長さl、及び幅又は厚さ(図示せず)等の横寸法を特徴とする。 FIG. 1 is a multilayer separator system 100 (1) for an electrochemical system comprising parallel first high mechanical strength layers and second high mechanical strength layers having complementary opening patterns, wherein the second opening patterns are A multilayer separator having an offset arrangement with respect to the first pattern so that there is no overlap between the opening of the first pattern and the opening of the second pattern along an axis extending vertically from the first high mechanical strength layer to the second high mechanical strength layer 1 provides a side perspective view of system 100 (1). FIG. As shown in FIG. 1, a multilayer separator system 100 (1) includes a first high mechanical strength layer 102 (1) having a first pattern with a plurality of openings, eg, 104 (1) and 104 (4); A second high mechanical strength layer 102 (2) having a second pattern with a second plurality of openings, eg 104 (2) and 104 (3). The first and second layers are characterized by a planar geometric shape and lateral dimensions such as height H, length L, and width or thickness W. As shown in FIG. 1, the opening 104 penetrates the thickness of the first high mechanical strength layer 102 (1) or the second high mechanical strength layer 102 (2). Each opening 104 is also characterized by a lateral dimension such as a height h, a length l, and a width or thickness (not shown).
第2高機械強度層102(2)への第1高機械強度層102(1)のパターンの重畳を、第2高機械強度層102(2)上に複数のオフセット破線区域106(1)として概略的に表し、第1高機械強度層102(1)への第2高機械強度層102(2)の重畳を、第1高機械強度層102(1)上に複数のオフセット破線区域106(2)として概略的に表す。図1に示す実施形態では、第1パターン及び第2パターンはチェッカー盤に似ており、例えば、第1パターンが黒マスに相当し、第2パターンがチェッカー盤の赤マスに相当する。しかしながら、当業者には明らかとなるように、第1パターン及び第2パターンが相互に対してオフセット配列を有し、例えば、第1高機械強度層102(1)から第2高機械強度層102(2)まで垂直に延びる軸に沿った開口104の重なりが50%、40%、30%、20%、10%、5%、2%、又は0%以下である限り、ハニカムパターン、最密円パターン、煉瓦パターン、三角形パターン等の他のパターンも可能である。図1に示す実施形態では、第1高機械強度層から第2高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第1パターンの開口と第2パターンの開口との重なりがない。図1に示す矢印108(1)及び108(2)は、第1高機械強度層102(1)から第2高機械強度層(102(2)まで垂直に延びる軸に沿って重ならない開口の領域を示すために設けられる。第1高機械強度層の第1開口パターン及び第2高機械強度層の第2開口パターンのオフセット配列は、例えば、成長するデンドライトを機械的に遮ること及び/又は熱力学的及び/又は動力学的に不利な曲線軌道を伴う経路を必要とすることにより、第1高機械強度層及び第2高機械強度層の組み合わせを通したデンドライト成長を防止する。例えば、デンドライトは、点110(1)で第1高機械強度層102(1)により物理的に遮られるので、矢印Aで示すように第2高機械強度層102(2)の開口104(3)を通過することしかできない。同様に、デンドライトは、点110(2)で第2高機械強度層102(2)により物理的に遮られるので、矢印Bで示すように第1高機械強度層102(1)の開口104(4)を通過することしかできない。 The pattern overlap of the first high mechanical strength layer 102 (1) on the second high mechanical strength layer 102 (2) is formed as a plurality of offset broken line areas 106 (1) on the second high mechanical strength layer 102 (2). The overlay of the second high mechanical strength layer 102 (2) on the first high mechanical strength layer 102 (1) is schematically represented by a plurality of offset dashed line areas 106 ( 2) is schematically represented. In the embodiment shown in FIG. 1, the first pattern and the second pattern are similar to a checker board. For example, the first pattern corresponds to a black square and the second pattern corresponds to a red square of the checker board. However, as will be apparent to those skilled in the art, the first pattern and the second pattern have an offset arrangement with respect to each other, for example, from the first high mechanical strength layer 102 (1) to the second high mechanical strength layer 102. As long as the overlap of openings 104 along the axis extending vertically to (2) is no more than 50%, 40%, 30%, 20%, 10%, 5%, 2%, or 0%, the honeycomb pattern, close-packed Other patterns such as a circular pattern, a brick pattern, a triangular pattern are also possible. In the embodiment shown in FIG. 1, there is no overlap between the opening of the first pattern and the opening of the second pattern along the axis extending vertically from the first high mechanical strength layer to the second high mechanical strength layer. The arrows 108 (1) and 108 (2) shown in FIG. 1 indicate openings that do not overlap along an axis extending perpendicularly from the first high mechanical strength layer 102 (1) to the second high mechanical strength layer 102 (2). An offset arrangement of the first opening pattern of the first high mechanical strength layer and the second opening pattern of the second high mechanical strength layer is provided, for example, to mechanically block the growing dendrite and / or Preventing dendrite growth through the combination of the first high mechanical strength layer and the second high mechanical strength layer by requiring a path with a thermodynamically and / or kinetically unfavorable curved trajectory. Since the dendrite is physically blocked by the first high mechanical strength layer 102 (1) at the point 110 (1), the opening 104 (3) of the second high mechanical strength layer 102 (2) is opened as indicated by an arrow A. Only to pass Similarly, the dendrite is physically blocked by the second high mechanical strength layer 102 (2) at point 110 (2), so that the opening of the first high mechanical strength layer 102 (1) is indicated by arrow B. 104 (4) can only be passed.
図2は、コンプリメンタリな開口パターンを有する平行な第1高機械強度層及び第2高機械強度層を備えた電気化学システム用の多層セパレータシステム100(2)であり、第2開口パターンが、第1高機械強度層から第2高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第1パターンの開口と第2パターンの開口とに選択範囲の重なりがあるように第1パターンに対してオフセット配列を有する多層セパレータシステム100(2)の側面斜視図を提供する。図2に示すように、多層セパレータシステム100(2)は、複数の開口、例えば104(5)及び104(9)を備えた第1パターンを有する第1高機械強度層102(3)と、第2の複数の開口、例えば104(6)、104(7)、及び104(8)を備えた第2パターンを有する第2高機械強度層102(4)とを備える。第1高機械強度層及び第2高機械強度層102は、高さH、長さL、及び幅又は厚さW等の横寸法を特徴とする。図2に示すように、開口104は、第1高機械強度層102(3)及び第2高機械強度層102(4)の厚さを貫通する。各開口104も、高さh、長さl、及び幅又は厚さ(図示せず)等の横寸法を特徴とする。 FIG. 2 is a multilayer separator system 100 (2) for an electrochemical system with parallel first high mechanical strength layers and second high mechanical strength layers having complementary opening patterns, the second opening pattern being An offset arrangement is made with respect to the first pattern so that there is an overlap of a selection range between the opening of the first pattern and the opening of the second pattern along the axis extending vertically from the first high mechanical strength layer to the second high mechanical strength layer. A side perspective view of a multilayer separator system 100 (2) having is provided. As shown in FIG. 2, the multilayer separator system 100 (2) includes a first high mechanical strength layer 102 (3) having a first pattern with a plurality of openings, eg, 104 (5) and 104 (9); A second high mechanical strength layer 102 (4) having a second pattern with a second plurality of openings, eg 104 (6), 104 (7), and 104 (8). The first high mechanical strength layer and the second high mechanical strength layer 102 are characterized by a lateral dimension such as a height H, a length L, and a width or thickness W. As shown in FIG. 2, the opening 104 penetrates the thickness of the first high mechanical strength layer 102 (3) and the second high mechanical strength layer 102 (4). Each opening 104 is also characterized by a lateral dimension such as a height h, a length l, and a width or thickness (not shown).
第2高機械強度層102(4)への第1高機械強度層102(3)のパターンの重畳を、第2高機械強度層102(4)上に複数のオフセット破線区域106(3)として概略的に表し、第1高機械強度層102(3)への第2高機械強度層102(4)の重畳を、第1高機械強度層102(3)上に複数のオフセット破線区域106(4)として概略的に表す。図2に示す実施形態では、第1パターン及び第2パターンは、第1高機械強度層102(3)から第2高機械強度層102(4)まで垂直に延びる軸に沿った開口104の選択された重なりがあるように相互に対してオフセット配列を有する。一実施形態では、例えば、選択された重なりは、50%、40%、30%、20%、10%、5%、又は2%以下である。図2に示す実施形態では、第1高機械強度層から第2高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った第1パターンの開口と第2パターンの開口との重なりは、0よりも大きい。図2に示す矢印は、開口の重複領域112と、第1高機械強度層102(3)から第2高機械強度層102(4)まで垂直に延びる軸に沿って重ならない開口の領域とを示すために設けられる。第1高機械強度層の開口パターン及び第2高機械強度層の開口パターンのオフセット配列は、例えば、デンドライト成長を遮ること及び/又は熱力学的及び/又は動力学的に不利な曲線軌道を伴う経路を必要とすることにより、第1高機械強度層及び第2高機械強度層の組み合わせを通したデンドライト成長を防止する。 Overlaying the pattern of the first high mechanical strength layer 102 (3) on the second high mechanical strength layer 102 (4) as a plurality of offset broken line areas 106 (3) on the second high mechanical strength layer 102 (4) The overlay of the second high mechanical strength layer 102 (4) on the first high mechanical strength layer 102 (3) is schematically represented by a plurality of offset dashed areas 106 ( 4) schematically. In the embodiment shown in FIG. 2, the first and second patterns are a selection of openings 104 along an axis extending perpendicularly from the first high mechanical strength layer 102 (3) to the second high mechanical strength layer 102 (4). Having an offset array relative to each other such that there is a overlap. In one embodiment, for example, the selected overlap is 50%, 40%, 30%, 20%, 10%, 5%, or 2% or less. In the embodiment shown in FIG. 2, the overlap between the first pattern opening and the second pattern opening along an axis extending perpendicularly from the first high mechanical strength layer to the second high mechanical strength layer is greater than zero. The arrows shown in FIG. 2 indicate the overlapping region 112 of the opening and the region of the opening that does not overlap along the axis extending perpendicularly from the first high mechanical strength layer 102 (3) to the second high mechanical strength layer 102 (4). Provided to show. The offset arrangement of the opening pattern of the first high mechanical strength layer and the opening pattern of the second high mechanical strength layer, for example, involves dendrite growth and / or with a thermodynamically and / or kinetically disadvantageous curved trajectory. The need for a path prevents dendrite growth through the combination of the first high mechanical strength layer and the second high mechanical strength layer.
本発明は、以下の非限定的な実施例によりさらに理解することができる。 The invention can be further understood by the following non-limiting examples.
電池用、充電式リチウム電池用等の電気化学システム及び化学システム用の、特にLi−金属電池におけるデンドライト短絡を防止するための新規セパレータ
図3は、電解質含有層(層M)により分離されたコンプリメンタリな開口パターンを有する第1高機械強度層及び第2高機械強度層(層R及び層F)を有する、本発明の多層セパレータシステムの断面図を示す概略図を提供する。図4は、電解質含有層(層M)により分離された第1高機械強度層、第2高機械強度層、及び第3高機械強度層(層R及びF)を有する本発明の多層セパレータシステムの断面図を示す概略図を提供する。図3及び図4において、層(R)及び層(F)は、例えば電気化学セル等の電気化学システムに組み込んだ場合に、組み合わせて設けるとセパレータシステムにおけるデンドライト成長を防止する開口パターンを有する高機械強度層である。図3及び図4において、電解質含有層(単数又は複数)Mは、層F及びR間に設けられ、いくつかの実施形態では、電解質含有層(単数又は複数)Mは、層F及びRよりも厚いことが好ましい。電気化学システムにおいて、例えば、層(単数又は複数)Mは電解質の貯溜槽として働く。電気化学システムにおいて、例えば、層(単数又は複数)Mはセパレータとして働くことにより、正電極と負電極との間の電気的且つ/又は物理的接触を防止しつつ正電極と負電極との間のイオン輸送を可能にして、電気化学セルが効率的な充放電特性を得ることができるようにする。一実施形態では、例えば、層Mは、導電性の微多孔膜等の低イオン抵抗層である。一実施形態では、例えば、層Mは、ポリエチレン(PE)膜又はポリプロピレン(PP)膜又は両方の組み合わせである。
New separators for electrochemical systems such as batteries, rechargeable lithium batteries, and chemical systems, especially for preventing dendrite short-circuits in Li-metal batteries . FIG. 3 shows complementary layers separated by an electrolyte-containing layer (layer M). FIG. 2 provides a schematic diagram illustrating a cross-sectional view of a multilayer separator system of the present invention having a first high mechanical strength layer and a second high mechanical strength layer (Layer R and Layer F) having a variable opening pattern. FIG. 4 shows a multilayer separator system of the present invention having a first high mechanical strength layer, a second high mechanical strength layer, and a third high mechanical strength layer (layers R and F) separated by an electrolyte containing layer (layer M). 1 provides a schematic diagram illustrating a cross-sectional view of 3 and 4, the layers (R) and (F) have a high opening pattern that prevents dendrite growth in the separator system when provided in combination when incorporated in an electrochemical system such as an electrochemical cell. It is a mechanical strength layer. 3 and 4, the electrolyte-containing layer (s) M is provided between the layers F and R, and in some embodiments, the electrolyte-containing layer (s) M is more than the layers F and R. It is also preferable that the thickness is thick. In an electrochemical system, for example, the layer (s) M acts as an electrolyte reservoir. In an electrochemical system, for example, the layer (s) M acts as a separator, thereby preventing electrical and / or physical contact between the positive and negative electrodes and between the positive and negative electrodes. Ion transport, and the electrochemical cell can obtain efficient charge / discharge characteristics. In one embodiment, for example, layer M is a low ionic resistance layer such as a conductive microporous membrane. In one embodiment, for example, layer M is a polyethylene (PE) film or a polypropylene (PP) film or a combination of both.
いくつかの実施形態では、高機械強度層F及びRは、電気化学セルの電気的短絡、熱暴走、及び/又は機械的破損の防止等、セルにおけるデンドライト成長を防止するよう機能する。例として、高機械強度層F及びRは、正電極と負電極との間のデンドライト成長を防止することにより、リチウム金属電池の短絡及び容量損失を防止するよう構成され得る。いくつかの実施形態では、高機械強度層F及びRは、コンプリメンタリな障壁を提供し、障壁のそれぞれが、成長するデンドライトと接触した場合の障壁の貫通又は機械的破損を防止するのに十分な機械的強度を有する。 In some embodiments, the high mechanical strength layers F and R function to prevent dendrite growth in the cell, such as preventing electrical shorts, thermal runaway, and / or mechanical failure of the electrochemical cell. As an example, the high mechanical strength layers F and R may be configured to prevent short circuit and capacity loss of lithium metal batteries by preventing dendrite growth between the positive and negative electrodes. In some embodiments, high mechanical strength layers F and R provide complementary barriers, each of which is sufficient to prevent barrier penetration or mechanical failure when in contact with growing dendrites. Has mechanical strength.
いくつかの実施形態では、高機械強度層F及びRに、層の全厚を貫通するコンプリメンタリな開口パターンを設ける。図5は、電解質含有層M等の1つ又は複数の低イオン抵抗層により分離された第1高機械強度層及び第2高機械強度層の開口(点描領域として概略的に示す)及び中実領域(塗りつぶし領域として概略的に示す)を示す、本発明の多層セパレータシステムの断面図を示す概略図を提供する。図6は、電解質含有層M等の1つ又は複数の低イオン抵抗層により分離された第1高機械強度層、第2高機械強度層、及び第3高機械強度層の開口及び中実領域を示す、本発明の多層セパレータシステムの断面図を示す概略図を提供する。例として、高機械強度層(単数又は複数)Fは、事前選択された第1開口パターン及び中実領域を特徴とし、高機械強度層(単数又は複数)Rは、高機械強度層Fのものとは異なる事前選択された第2開口パターン及び中実領域を特徴とし得る。一実施形態では、例えば、2つのパターンはコンプリメンタリであり、高機械強度層F及びRのそれぞれが、高機械強度層の両側からのイオン及び電解質の輸送を可能にする開口(例えば、貫通孔、ナノ孔、微小孔、チャネル等)を有するが、多層セパレータシステムの幾何学的形状における高機械強度層F及びRの配列は、例えば上記高機械強度層(単数又は複数)Rから高機械強度層(単数又は複数)Fまで垂直に延びる軸に沿って、高機械強度層Fの開口を高機械強度層Rの中実領域と一致させ、高機械強度層Fの中実領域を高機械強度層Rの孔と一致させる。一実施形態では、例えば、高機械強度層F及びRの開口は、層F及びRを組み合わせて、例えば平行又は同心状の向きで設けた場合に両方の層F及びRの孔を直線が通ることができないように、相互に対してオフセットさせる。この空間配置は、例えば、白マス及び黒マスを有するチェス盤等の周期的パターンを考えることにより可視化することができ、白マスは開口に相当し、黒マスは高機械強度層の中実領域に相当する。一例では、高機械強度層Fを通常のチェス盤の形式とすることができ、高機械強度層Rが逆のもの、白ブロック(開口に相当)が黒マス(層Fの中実部分)にあり黒ブロック(中実領域に相当)が白マス(層Fの孔)の代わりにある誤ったチェス盤の形式である。このオフセット配列から、多層の幾何学的形状で設けた場合に全部の孔が隣接層の中実領域により遮られる少なくとも2つの高機械強度層が得られる。 In some embodiments, high mechanical strength layers F and R are provided with complementary opening patterns that penetrate the entire thickness of the layer. FIG. 5 shows an opening (schematically shown as a stippled region) and a solid of a first high mechanical strength layer and a second high mechanical strength layer separated by one or more low ion resistance layers, such as electrolyte-containing layer M FIG. 2 provides a schematic diagram illustrating a cross-sectional view of the multilayer separator system of the present invention showing regions (shown schematically as filled regions). FIG. 6 shows openings and solid regions of the first high mechanical strength layer, the second high mechanical strength layer, and the third high mechanical strength layer separated by one or more low ion resistance layers such as the electrolyte-containing layer M. FIG. 1 provides a schematic diagram illustrating a cross-sectional view of the multilayer separator system of the present invention. By way of example, the high mechanical strength layer (s) F is characterized by a preselected first opening pattern and solid area, and the high mechanical strength layer (s) R is of the high mechanical strength layer F. May be characterized by a preselected second opening pattern and solid region different from. In one embodiment, for example, the two patterns are complementary, and each of the high mechanical strength layers F and R has openings (eg, through holes, holes) that allow transport of ions and electrolytes from both sides of the high mechanical strength layer. The arrangement of the high mechanical strength layers F and R in the geometry of the multi-layer separator system is for example from the high mechanical strength layer (s) R to the high mechanical strength layer The aperture of the high mechanical strength layer F is made to coincide with the solid region of the high mechanical strength layer R along the axis extending vertically to F (s), and the solid region of the high mechanical strength layer F is made to be the high mechanical strength layer. Match with R holes. In one embodiment, for example, the openings in the high mechanical strength layers F and R are straight through the holes in both layers F and R when the layers F and R are combined, eg provided in parallel or concentric orientation. Offset relative to each other so that they cannot. This spatial arrangement can be visualized, for example, by considering a periodic pattern such as a chessboard having white and black squares, where the white squares correspond to openings and the black squares are solid areas of the high mechanical strength layer. It corresponds to. In one example, the high mechanical strength layer F can be in the form of a normal chess board, with the high mechanical strength layer R reversed and the white block (corresponding to the opening) in the black square (solid portion of the layer F). There is a false chessboard type with black blocks (corresponding to solid areas) instead of white squares (holes in layer F). This offset arrangement results in at least two high mechanical strength layers where all holes are obstructed by solid regions of the adjacent layer when provided in a multi-layer geometry.
高機械強度層F及びR間に低イオン抵抗層M(通常のセパレータ)を配置することで、セパレータシステムを貫通する望ましくないデンドライト成長を防止するセパレータシステムが得られる。しかしながら、セルの抵抗に対するセパレータシステムの効果を最小化するために、いくつかの実施形態では、成長するデンドライトを遮るのに十分な機械的強度を提供するのに必要な厚さを少なくとも維持しつつ、高機械強度層F及びRの厚さを最小化することが望ましい。 Placing a low ionic resistance layer M (ordinary separator) between the high mechanical strength layers F and R provides a separator system that prevents unwanted dendrite growth through the separator system. However, in order to minimize the effect of the separator system on cell resistance, in some embodiments, at least maintaining the thickness necessary to provide sufficient mechanical strength to block the growing dendrite. It is desirable to minimize the thickness of the high mechanical strength layers F and R.
一実施形態では、例えば、高機械強度層F及びRは非常に薄く(例えば、厚さ100μm以下、場合によってはいくつかの実施形態では厚さ20μm以下)、したがって場合によっては層Mの前側及び/又は後面の1つ又は複数のコーティングの形態であり得る。高機械強度層F及びRの孔の体積分率及び表面分率は、所与の用途で選択され、いくつかの用途では、表面−体積の少なくとも1/4、任意に半分が開口を含み、残りが不透過性の中実領域を含むことが好ましい。一実施形態では、高機械強度層F及びRは、電気化学セルの他のコンポーネントと反応せず耐薬品性であり熱的に安定な材料を含む。一実施形態では、高機械強度層F及びRは電気絶縁体を含む。 In one embodiment, for example, the high mechanical strength layers F and R are very thin (eg, 100 μm or less, and in some embodiments 20 μm or less in some embodiments), and thus in some cases the front side of layer M and It may be in the form of one or more coatings on the rear surface. The volume fraction and surface fraction of the pores of the high mechanical strength layers F and R are selected for a given application, and in some applications at least 1/4 of the surface-volume, optionally half includes openings, It is preferred that the remainder include an impermeable solid region. In one embodiment, the high mechanical strength layers F and R comprise a chemically resistant and thermally stable material that does not react with other components of the electrochemical cell. In one embodiment, the high mechanical strength layers F and R include an electrical insulator.
リチウム−金属電池に有用な特定の実施形態では、高機械強度層F及びRは、イオン及び電解質の通過を許すが電気化学セルの正電極と負電極との間の電流の直接通過は防止するコンプリメンタリな開口パターンを有する、ポリエチレン膜又はポリプロピレン膜又はテフロン又はそれらの材料の混合物を含む。一実施形態では、例えば、低イオン抵抗層Mは、多孔質ポリエチレン膜又は多孔質ポリプロピレン膜又はそれらの混合物である。一実施形態では、低イオン抵抗層Mは、10マイクロメートル〜200マイクロメートルの範囲から選択される、好ましくはいくつかの用途で80マイクロメートル〜120マイクロメートルに等しい厚さを有し、高機械強度層F及びRはそれぞれ独立して、5マイクロメートル〜200マイクロメートルの範囲から選択される、好ましくはいくつかの用途で10マイクロメートル〜30マイクロメートルに等しい厚さを有する。一実施形態では、高機械強度層L及びMは、コンプリメンタリな周期的開口パターン及び中実領域を有し、開口及び/又は中実領域を特徴付ける単位セルの1つ又は複数の横寸法は、例えば、1マイクロメートル〜1ミリメートル、好ましくはいくつかの用途で10マイクロメートル〜30マイクロメートルの範囲で選択される。開口の単位セルの横寸法のサイズがより小さく、層Mの平均開口サイズの10倍ほどの大きさしかないことが、いくつかの実施形態では好ましいが、作製に関して大きな開口に実用上の利点があり得ることが認められるので、開口の物理的寸法の選択には妥協があり得る。 In certain embodiments useful for lithium-metal batteries, the high mechanical strength layers F and R allow the passage of ions and electrolytes but prevent the direct passage of current between the positive and negative electrodes of the electrochemical cell. A polyethylene film or polypropylene film or Teflon or a mixture of these materials having a complementary opening pattern. In one embodiment, for example, the low ionic resistance layer M is a porous polyethylene film or a porous polypropylene film or a mixture thereof. In one embodiment, the low ionic resistance layer M is selected from the range of 10 micrometers to 200 micrometers, and preferably has a thickness equal to 80 micrometers to 120 micrometers for some applications, The strength layers F and R are each independently selected from the range of 5 micrometers to 200 micrometers, and preferably have a thickness equal to 10 micrometers to 30 micrometers for some applications. In one embodiment, the high mechanical strength layers L and M have complementary periodic opening patterns and solid regions, and one or more lateral dimensions of the unit cell characterizing the openings and / or solid regions are, for example, It is selected in the range of 1 micrometer to 1 millimeter, preferably 10 micrometers to 30 micrometers for some applications. Although it is preferred in some embodiments that the size of the lateral dimension of the unit cell of the opening is smaller and only as large as 10 times the average opening size of the layer M, a large opening has practical advantages for fabrication. It will be appreciated that there may be a compromise in choosing the physical dimensions of the aperture.
当業者には明らかとなるように、セパレータシステムのコンポーネントの組成、物理的寸法(例えば、厚さ)、及び機械的特性(例えば、多孔度)は、電気化学又は化学セルのタイプ及び/又は用途に応じて変わり得る。一実施形態では、例えば、鉛蓄電池用のセパレータシステムは、リチウム−金属電池用のセパレータシステムよりも大きな孔サイズを有する、より厚い高機械強度層を用い得る。 As will be apparent to those skilled in the art, the composition, physical dimensions (eg, thickness), and mechanical properties (eg, porosity) of the components of the separator system depend on the type and / or application of the electrochemical or chemical cell. Can vary depending on In one embodiment, for example, a separator system for a lead acid battery may use a thicker high mechanical strength layer having a larger pore size than a separator system for a lithium-metal battery.
図3及び図5に示す上記R−M−F及びF−M−R−M−Fシステムに加えて、他のセパレータの幾何学的形状もいくつかの用途で有用である。例として、本発明は、デンドライト成長を防止するよう選択された開口パターンを有する3つ、4つ、5つ、6つ、7つ、8つ等の高機械強度層を備えた多層システムを含む。図4及び図6に示すF−M−R−M−Fシステムに相当するもの等の3つ以上の高機械強度層を有する多層システムは、いくつかの用途で好ましいが、それは、これらが正電極から負電極へのデンドライト成長を効率的に防止するよう構成され得るにもかかわらず、セルに対する付加抵抗が有用な充放電性能を提供するのに十分なほど低く維持されたままであり得るからである。 In addition to the R-MF and F-MR-MF systems shown in FIGS. 3 and 5, other separator geometries are useful in some applications. By way of example, the present invention includes a multilayer system with three, four, five, six, seven, eight, etc. high mechanical strength layers having an opening pattern selected to prevent dendrite growth. . Multi-layer systems with three or more high mechanical strength layers, such as those corresponding to the F-M-R-M-F system shown in FIGS. 4 and 6, are preferred for some applications, because they are positive. Even though it can be configured to efficiently prevent dendrite growth from electrode to negative electrode, the added resistance to the cell can remain low enough to provide useful charge / discharge performance. is there.
例として、本発明の高エネルギー充電式リチウム電池は、(1)リチウム金属若しくはリチウム合金、又はリチウム金属及び/又はリチウム合金及び別の材料の混合物を含むアノードと、(2)カソードと、(3)アノードとカソードとの間に配置した本発明のセパレータシステムと、(4)セパレータを介してアノード及びカソードとイオン連通する、場合によっては物理的に接触する1つ又は複数の電解質とを備える。一実施形態では、例えば、電解質は、固体、ゲル、又は液体(例えば、流体)である。いくつかの実施形態では、電極は、固体材料又は半固体電池若しくはフロー電池若しくはフローセルで用いられるもの等の半固体粒子(例えば、液体中の小さな固体粒子)である。セパレータシステムの断面幾何学的形状は、矩形、円形、正方形等を含む範囲の形状であり得る。 By way of example, a high energy rechargeable lithium battery of the invention comprises (1) an anode comprising lithium metal or lithium alloy, or a mixture of lithium metal and / or lithium alloy and another material, (2) a cathode, (3 And) a separator system of the present invention disposed between the anode and the cathode; and (4) one or more electrolytes that are in ionic communication with the anode and the cathode and possibly in physical contact via the separator. In one embodiment, for example, the electrolyte is a solid, a gel, or a liquid (eg, a fluid). In some embodiments, the electrode is a solid material or semi-solid particles (eg, small solid particles in a liquid) such as those used in semi-solid batteries or flow batteries or flow cells. The cross-sectional geometry of the separator system can be a range of shapes including rectangular, circular, square, and the like.
図7は、コンプリメンタリなパターン開口を有する2つの高機械強度層を備えたセパレータシステムを備えた、本発明のリチウム電池の断面図を提供する概略図を提供する。電気化学セルは、電解質貯溜槽を含む多層セパレータシステムにより分離されたアノード(例えば、リチウム金属)及びカソードを備える。多層セパレータは、電解質含有セパレータ及び/又はスペーサ等の低イオン抵抗層により分離されたコンプリメンタリな開口パターンを有する2つの高機械強度層を備える。さらに、非常に多孔質な媒体が、高機械強度層とアノード及びカソードコンポーネントとの間に設けられる。図7に示すように、高機械強度層は、交互の開口及び中実領域を含むパターンを有する(例えば、図7において、塗りつぶし領域が高機械強度層の中実領域に相当し、点描領域が高機械強度層を貫通する開口に相当する)。図示の実施形態では、高機械強度層は、カソードとアノードとの間のデンドライト成長を防止することが可能なコンプリメンタリな開口パターンを有し、図7に示すように、第1高機械強度層の開放領域(例えば、開口)は、層から垂直に延びる軸に沿った第2高機械強度層の中実領域に対応する。 FIG. 7 provides a schematic diagram that provides a cross-sectional view of a lithium battery of the present invention with a separator system with two high mechanical strength layers having complementary pattern openings. The electrochemical cell comprises an anode (eg, lithium metal) and a cathode separated by a multi-layer separator system that includes an electrolyte reservoir. The multilayer separator comprises two high mechanical strength layers having complementary opening patterns separated by low ion resistance layers such as electrolyte containing separators and / or spacers. Furthermore, a very porous medium is provided between the high mechanical strength layer and the anode and cathode components. As shown in FIG. 7, the high mechanical strength layer has a pattern including alternating openings and solid regions (for example, in FIG. 7, the filled region corresponds to the solid region of the high mechanical strength layer, and the stipple region is Equivalent to an opening through the high mechanical strength layer). In the illustrated embodiment, the high mechanical strength layer has a complementary opening pattern that can prevent dendrite growth between the cathode and the anode, as shown in FIG. The open area (eg, opening) corresponds to the solid area of the second high mechanical strength layer along an axis extending perpendicularly from the layer.
図8〜図10は、本発明のさらに他の装置構成及び装置コンポーネントを示すリチウム電池の他の実施形態の例を提供する。図8は、コンプリメンタリなパターン開口を有する4つの高機械強度層を備えたセパレータシステムを備えた、本発明のリチウム電池の断面図を提供する概略図を提供する。図8に示す装置では、高機械強度層Rをアノードに直接物理的に接触して設け、高機械強度層Fをカソードに直接物理的に接触して設ける。図8に示す実施形態では、2つの層Rは同じ開口パターンを有し、2つの層Fは同じ開口パターンを有する。層R及びFのパターンは共に、カソードからアノードまで垂直に延びる軸に沿ったアノードとカソードとの間の直接的な直線経路をなくすことによりデンドライト成長関連短絡を防止する、コンプリメンタリなパターンを含む。図8に示す実施形態では、高機械強度層Rを、イオンを層Rに通過させてアノード表面と相互作用させるようにアノードと物理的に接触して設け、高機械強度層Fを、イオンを層Fに通過させてカソード表面と相互作用させるようにカソードと物理的に接触して設ける。 8-10 provide examples of other embodiments of lithium batteries showing still other device configurations and device components of the present invention. FIG. 8 provides a schematic diagram that provides a cross-sectional view of the lithium battery of the present invention with a separator system with four high mechanical strength layers having complementary pattern openings. In the apparatus shown in FIG. 8, the high mechanical strength layer R is provided in direct physical contact with the anode, and the high mechanical strength layer F is provided in direct physical contact with the cathode. In the embodiment shown in FIG. 8, the two layers R have the same opening pattern and the two layers F have the same opening pattern. Both patterns of layers R and F include complementary patterns that prevent dendritic growth related shorts by eliminating a direct linear path between the anode and cathode along an axis extending vertically from the cathode to the anode. In the embodiment shown in FIG. 8, a high mechanical strength layer R is provided in physical contact with the anode so that ions pass through the layer R and interact with the anode surface, and the high mechanical strength layer F is provided with ions. Provided in physical contact with the cathode to pass through layer F and interact with the cathode surface.
図9は、コンプリメンタリなパターン開口を有する3つの高機械強度層を備えたセパレータシステムを備えた、本発明の電気化学セルの断面図を提供する概略図を提供する。図9に示す装置では、非常に多孔質な層(例えば、多孔度≧80%)を高機械強度層Fとアノードとの間に設け、非常に多孔質な層(例えば多孔度≧80%)を、高機械強度層Fとカソードとの間に設ける。図9に示す装置では、高機械強度層Rは、高機械強度層Fの開口パターンとコンプリメンタリな開口パターンを有し、多孔質層(例えば、多孔度≧50%)を、高機械強度層Rと高機械強度層Fとの間に設ける。一実施形態では、例えば、2つの高機械強度層Fは同じ開口パターンを特徴とする。図9に示す実施形態では、2つの層Fは同じ開口パターンを有する。層R及び2つの層Fにおけるパターンは共に、カソードからアノードまで垂直に延びる軸に沿ったアノードとカソードとの間の直接的な直線経路をなくすことによりデンドライト成長関連短絡を防止する、コンプリメンタリなパターンを含む。図9に示す実施形態では、非常に多孔質な層(例えば、多孔度≧80%)を、イオンをこの多孔質層に通過させてアノード表面と相互作用させるようにアノード表面と物理的に接触させて設け、非常に多孔質な層(例えば、多孔度≧80%)を、イオンをこの多孔質層に通過させてカソード表面と相互作用させるようにカソード表面と物理的に接触させて設ける。 FIG. 9 provides a schematic diagram that provides a cross-sectional view of an electrochemical cell of the present invention comprising a separator system with three high mechanical strength layers having complementary pattern openings. In the apparatus shown in FIG. 9, a very porous layer (for example, porosity ≧ 80%) is provided between the high mechanical strength layer F and the anode, and a very porous layer (for example, porosity ≧ 80%) is provided. Is provided between the high mechanical strength layer F and the cathode. In the apparatus shown in FIG. 9, the high mechanical strength layer R has an opening pattern complementary to the opening pattern of the high mechanical strength layer F, and the porous layer (for example, porosity ≧ 50%) is replaced with the high mechanical strength layer R. And a high mechanical strength layer F. In one embodiment, for example, the two high mechanical strength layers F are characterized by the same opening pattern. In the embodiment shown in FIG. 9, the two layers F have the same opening pattern. The patterns in layer R and two layers F together are complementary patterns that prevent dendritic growth related short circuits by eliminating a direct linear path between the anode and cathode along an axis extending vertically from the cathode to the anode. including. In the embodiment shown in FIG. 9, a very porous layer (eg, porosity ≧ 80%) is in physical contact with the anode surface so that ions pass through the porous layer and interact with the anode surface. A very porous layer (eg, porosity ≧ 80%) is provided in physical contact with the cathode surface so that ions pass through the porous layer and interact with the cathode surface.
図10Aは、リチウム金属アノードと、カソードと、コンプリメンタリな開口パターンを有する3つの高機械強度層、2つの低イオン抵抗層、2つの電解質含有空隙、及びフレームコンポーネントを備えたセパレータシステムとを備えた、本発明の電気化学セルの断面図を提供する概略図を提供する。いくつかの実施形態では、例えば、フレーム層(単数又は複数)は、多層構成体全体のコンポーネントを物理的に一体化し、取り付け、且つ/又は機械的に支持する手段を提供する。図10に示すリチウム電池では、電解質含有空隙をアノードと開口パターンを有する第1高機械強度層との間に設け、電解質含有空隙をカソードと開口パターンを有する第2高機械強度層との間に設ける。いくつかの実施形態では、例えば、電極と高機械強度層との間の電解質含有空隙の組み込みは、セルの有用な充放電特性を利用するために電極表面積を減らすことを回避するのに有用である。図10Aに示す装置では、高機械強度層Rは、高機械強度層Fの開口パターンとコンプリメンタリな開口パターンを有し、低イオン抵抗層(例えば、多孔度≧50%)を、高機械強度層Rと高機械強度層Fとの間に設ける。 FIG. 10A comprises a lithium metal anode, a cathode, and a separator system with three high mechanical strength layers with complementary opening patterns, two low ionic resistance layers, two electrolyte containing voids, and a frame component. 1 provides a schematic diagram providing a cross-sectional view of the electrochemical cell of the present invention. In some embodiments, for example, the frame layer (s) provide a means to physically integrate, attach, and / or mechanically support the components of the entire multilayer construction. In the lithium battery shown in FIG. 10, an electrolyte-containing void is provided between the anode and the first high mechanical strength layer having the opening pattern, and the electrolyte-containing void is provided between the cathode and the second high mechanical strength layer having the opening pattern. Provide. In some embodiments, for example, the incorporation of an electrolyte-containing void between the electrode and the high mechanical strength layer is useful to avoid reducing electrode surface area to take advantage of the useful charge / discharge characteristics of the cell. is there. In the apparatus shown in FIG. 10A, the high mechanical strength layer R has an opening pattern complementary to the opening pattern of the high mechanical strength layer F, and the low ion resistance layer (for example, porosity ≧ 50%) is used as the high mechanical strength layer. It is provided between R and the high mechanical strength layer F.
図10Bは、保護固体電解質を備えたセパレータを有する電気化学セル(例えば、Li−空気電池、Li−水電池で有用である)であり、固体電解質が所望のイオン(Li+等)を通すが水、空気、CO2、汚染物、及び電気化学セルの性能を低下させる材料に対して不透過性である、電気化学セルの断面図を提供する概略図を提供する。電気化学セルは、リチウムアノード等のアノードと、炭素−水カソード又は炭素−空気カソード等のカソードと、コンプリメンタリな開口パターンを有する2つの高機械強度層、3つの低イオン抵抗層、及びLISICON層等の固体電解質層を備えたセパレータシステムとを備える。図10Bに示す装置では、高機械強度層は、有孔カプトン層等の電気絶縁性でもある任意に耐薬品性で熱的に安定な有孔層である。カプトンを含むコンプリメンタリな高機械強度層の使用が、いくつかの実施形態ではデンドライト成長の防止に有用である。図10Bに示すように、非常に多孔質な層(例えば、≧80%)等の第1低イオン抵抗層をアノードと第1高機械強度層との間に設け、非常に多孔質な層(例えば、≧80%)等の第2低イオン抵抗層を第1高機械強度層と第2高機械強度層との間に設け、非常に多孔質な層(例えば、≧80%)等の第3低イオン抵抗層を第2高機械強度層とカソードとの間に設ける。図10Bに示すように、LISICON層等の固体電解質層を第3低イオン抵抗層とカソードとの間に設けて、イオンをカソード表面に輸送可能であるようにする。一実施形態では、例えば、固体電解質層は、カソードの表面と物理的に接触して設けられる。いくつかの実施形態では、固体電解質層(例えば、LISICON層)の組み込みは、カソードの保護、例えば、カソード表面及び固体電解質以外の電解質コンポーネント等の電気化学セルのコンポーネントとの望ましくない化学反応からの保護に有用である。いくつかの実施形態では、固体電解質層(例えば、LISICON層)は、第1電解質を有する電気化学セルの第1側を第1電解質とは異なる第2電解質を有する電気化学セルの第2側から分離する化学障壁層を提供する。したがって、この態様の実施形態は、選択されたアノード組成及びカソード組成にそれぞれ特に合わせた2つの別個の電解質を統合する手段を提供し得る。 FIG. 10B is an electrochemical cell having a separator with a protective solid electrolyte (eg useful in Li-air batteries, Li-water batteries), where the solid electrolyte passes the desired ions (Li + etc.). 1 provides a schematic diagram that provides a cross-sectional view of an electrochemical cell that is impermeable to water, air, CO 2 , contaminants, and materials that degrade the performance of the electrochemical cell. The electrochemical cell includes an anode such as a lithium anode, a cathode such as a carbon-water cathode or a carbon-air cathode, two high mechanical strength layers having complementary opening patterns, three low ion resistance layers, and a LISICON layer. And a separator system including the solid electrolyte layer. In the apparatus shown in FIG. 10B, the high mechanical strength layer is an optionally chemically resistant and thermally stable porous layer that is also electrically insulating, such as a porous Kapton layer. The use of a complementary high mechanical strength layer comprising kapton is useful in some embodiments to prevent dendrite growth. As shown in FIG. 10B, a first low ionic resistance layer such as a very porous layer (eg, ≧ 80%) is provided between the anode and the first high mechanical strength layer to form a very porous layer ( For example, a second low ionic resistance layer such as ≧ 80%) is provided between the first high mechanical strength layer and the second high mechanical strength layer, and a second layer such as a very porous layer (for example, ≧ 80%) is provided. 3 A low ionic resistance layer is provided between the second high mechanical strength layer and the cathode. As shown in FIG. 10B, a solid electrolyte layer such as a LISICON layer is provided between the third low ion resistance layer and the cathode so that ions can be transported to the cathode surface. In one embodiment, for example, the solid electrolyte layer is provided in physical contact with the surface of the cathode. In some embodiments, the incorporation of a solid electrolyte layer (e.g., a LISICON layer) can protect the cathode, e.g., from unwanted chemical reactions with components of the electrochemical cell such as the cathode surface and electrolyte components other than the solid electrolyte. Useful for protection. In some embodiments, the solid electrolyte layer (e.g., the LISICON layer) is disposed on the first side of the electrochemical cell having the first electrolyte from the second side of the electrochemical cell having a second electrolyte different from the first electrolyte. A chemical barrier layer is provided for separation. Thus, embodiments of this aspect may provide a means of integrating two separate electrolytes, each tailored specifically to the selected anode and cathode compositions.
図10Cは、保護固体電解質を備えたセパレータを有する電気化学セル(例えば、Li−空気電池、Li−水電池で有用である)であり、固体電解質が所望のイオン(Li+等)を通すが水、空気、CO2、汚染物、及び電気化学セルの性能を低下させる材料に対して不透過性である、電気化学セルの断面図を提供する概略図を提供する。電気化学セルは、リチウムアノードと、炭素−水カソード又は炭素−空気カソード等のカソードと、コンプリメンタリな開口パターンを有する2つの高機械強度層、3つの低イオン抵抗層、及びLISICON層等の固体電解質層を備えたセパレータシステムとを備える。図10Cにおける電気化学セルの全体的な幾何学的形状は、図10Bに示すものと同様であり、非常に多孔質な層(例えば、≧80%)等の第1低イオン抵抗層をアノードと第1高機械強度層との間に設け、非常に多孔質な層(例えば、≧80%)等の第2低イオン抵抗層を第1高機械強度層と第2高機械強度層との間に設け、非常に多孔質な層(例えば、≧80%)等の第3低イオン抵抗層を第2高機械強度層とカソードとの間に設け、LISICON層等の固体電解質層を第3低イオン抵抗層とカソードとの間に設けて、イオンをカソード表面に輸送可能であるようにする。しかしながら、図10の電気化学セルでは、高機械強度層は、いくつかの実施形態においてデンドライト成長の防止及びモス状堆積等でのアノード損失の低減に有用であるコンプリメンタリな開口パターンを有する有孔金属層である。図10Bに関連した説明と同様に、固体電解質層(例えば、LISICON層)の組み込みは、カソードの保護、例えば、カソード表面及び固体電解質以外の電解質コンポーネント等の電気化学セルのコンポーネントとの望ましくない化学反応からの保護に有用である。いくつかの実施形態では、固体電解質層(例えば、LISICON層)は、第1電解質を有する電気化学セルの第1側を第1電解質とは異なる第2電解質を有する電気化学セルの第2側から分離する化学障壁層を提供し、したがって、選択されたアノード組成及びカソード組成にそれぞれ特に合わせた2つの別個の電解質を統合する手段を提供し得る。 FIG. 10C is an electrochemical cell having a separator with a protective solid electrolyte (eg useful in Li-air batteries, Li-water batteries), where the solid electrolyte passes the desired ions (Li + etc.). 1 provides a schematic diagram that provides a cross-sectional view of an electrochemical cell that is impermeable to water, air, CO 2 , contaminants, and materials that degrade the performance of the electrochemical cell. The electrochemical cell comprises a solid electrolyte such as a lithium anode, a cathode such as a carbon-water cathode or a carbon-air cathode, two high mechanical strength layers with complementary opening patterns, three low ionic resistance layers, and a LISICON layer. A separator system with a layer. The overall geometry of the electrochemical cell in FIG. 10C is similar to that shown in FIG. 10B, with a first low ionic resistance layer such as a very porous layer (eg, ≧ 80%) as the anode. A second low ionic resistance layer such as a very porous layer (for example, ≧ 80%) is provided between the first high mechanical strength layer and the second high mechanical strength layer. And a third low ion resistance layer such as a very porous layer (for example, ≧ 80%) is provided between the second high mechanical strength layer and the cathode, and a solid electrolyte layer such as a LISICON layer is provided at the third low layer. It is provided between the ion resistance layer and the cathode so that ions can be transported to the cathode surface. However, in the electrochemical cell of FIG. 10, the high mechanical strength layer is a perforated metal having a complementary opening pattern that in some embodiments is useful for preventing dendrite growth and reducing anode loss, such as mossy deposition. Is a layer. Similar to the description associated with FIG. 10B, the incorporation of a solid electrolyte layer (eg, a LISCON layer) can result in cathode protection, for example, undesirable chemistry with components of the electrochemical cell such as the cathode surface and electrolyte components other than the solid electrolyte. Useful for protection from reactions. In some embodiments, the solid electrolyte layer (e.g., the LISICON layer) is disposed on the first side of the electrochemical cell having the first electrolyte from the second side of the electrochemical cell having a second electrolyte different from the first electrolyte. A separate chemical barrier layer may be provided, thus providing a means of integrating two separate electrolytes, each tailored specifically to the selected anode and cathode compositions.
図10Dは、保護固体電解質を備えたセパレータを有する電気化学セル(例えば、Li−硫黄電池で有用である)であり、固体電解質が所望のイオン(Li+等)を通すが電気化学セルの性能を低下させるカソードとアノードとの間の粒子通過に対して不透過性である、電気化学セルの断面図を提供する概略図を提供する。電気化学セルは、リチウムアノード等のアノードと、硫黄系カソード等のカソードと、コンプリメンタリな開口パターンを有する2つの高機械強度層、3つの低イオン抵抗層、及びLISICON層等の固体電解質層を備えたセパレータシステムとを備える。図10Dにおける電気化学セルの全体的な幾何学的形状は、図10B及び図10Cに示すものと同様であり、非常に多孔質な層(例えば、≧80%)等の第1低イオン抵抗層をアノードと第1高機械強度層との間に設け、非常に多孔質な層(例えば、≧80%)等の第2低イオン抵抗層を第1高機械強度層と第2高機械強度層との間に設け、非常に多孔質な層(例えば、≧80%)等の第3低イオン抵抗層を第2高機械強度層とカソードとの間に設け、LISICON層等の固体電解質層を第3低イオン抵抗層とカソードとの間に設けて、イオンをカソード表面に輸送可能であるようにする。しかしながら、図10Dの電気化学セルでは、高機械強度層はコンプリメンタリな開口パターンを有する有孔金属層であり、カソードは任意に硫黄系カソードである。本セパレータへの高機械強度層の組み込みは、いくつかの実施形態においてデンドライト成長の防止、モス状堆積等でのアノード損失の低減、及びアノードへのカソード物質の移行の停止に有用である。図10Bに関連した説明と同様に、固体電解質層(例えば、LISICON層)の組み込みは、カソードの保護、例えば、カソード表面及び固体電解質以外の電解質コンポーネント等の電気化学セルのコンポーネントとの望ましくない化学反応からの保護に有用である。いくつかの実施形態では、固体電解質層(例えば、LISICON層)は、第1電解質を有する電気化学セルの第1側を第1電解質とは異なる第2電解質を有する電気化学セルの第2側から分離する化学障壁層を提供し、したがって、選択されたアノード組成及びカソード組成にそれぞれ特に合わせた2つの別個の電解質を統合する手段を提供し得る。 FIG. 10D is an electrochemical cell having a separator with a protective solid electrolyte (eg, useful in Li-sulfur batteries), where the solid electrolyte passes the desired ions (such as Li + ) but the performance of the electrochemical cell. FIG. 6 provides a schematic diagram that provides a cross-sectional view of an electrochemical cell that is impermeable to particle passage between the cathode and anode to reduce the aging. The electrochemical cell includes an anode such as a lithium anode, a cathode such as a sulfur-based cathode, two high mechanical strength layers having complementary opening patterns, three low ion resistance layers, and a solid electrolyte layer such as a LISICON layer. Separator system. The overall geometry of the electrochemical cell in FIG. 10D is similar to that shown in FIGS. 10B and 10C, and a first low ionic resistance layer, such as a very porous layer (eg, ≧ 80%) Is provided between the anode and the first high mechanical strength layer, and a second low ion resistance layer such as a very porous layer (for example, ≧ 80%) is provided as the first high mechanical strength layer and the second high mechanical strength layer. A third low ionic resistance layer such as a very porous layer (for example, ≧ 80%) is provided between the second high mechanical strength layer and the cathode, and a solid electrolyte layer such as a LISICON layer is provided. It is provided between the third low ion resistance layer and the cathode so that ions can be transported to the cathode surface. However, in the electrochemical cell of FIG. 10D, the high mechanical strength layer is a perforated metal layer with a complementary opening pattern, and the cathode is optionally a sulfur-based cathode. Incorporation of a high mechanical strength layer into the separator is useful in some embodiments to prevent dendrite growth, reduce anode loss, such as mossy deposition, and stop the migration of cathode material to the anode. Similar to the description associated with FIG. 10B, the incorporation of a solid electrolyte layer (eg, a LISCON layer) can result in cathode protection, for example, undesirable chemistry with components of the electrochemical cell such as the cathode surface and electrolyte components other than the solid electrolyte. Useful for protection from reactions. In some embodiments, the solid electrolyte layer (e.g., the LISICON layer) is disposed on the first side of the electrochemical cell having the first electrolyte from the second side of the electrochemical cell having a second electrolyte different from the first electrolyte. A separate chemical barrier layer may be provided, thus providing a means of integrating two separate electrolytes, each tailored specifically to the selected anode and cathode compositions.
図10Eは、セパレータを有する電気化学セルであり、アノードに隣接したセパレータの伝導側が、例えば、デンドライト成長を停止させ、モス状堆積等でのアノード損失を低減し、且つサイクル充電時にカソード物質がアノードへ移ってアノード粒子と集電体との間の電子接触を断ち電気化学セルの性能を低下させるのを防ぐことにより、アノード損失を低減する、電気化学セルの断面図を提供する概略図を提供する。例えば、カソードに隣接した導電側がカソードの導電性を高めることで、より長いライフサイクル、より大きなパワー及びより厚いカソード、及びより高エネルギーのカソード、したがってよりよい電気化学セルを得ることができる。電気化学セルは、リチウムアノード等のアノードと、LiFePO4、LiCoO2カソード等のカソードと、コンプリメンタリな開口パターンを有する2つの高機械強度層、3つの低イオン抵抗層、及びカーボンブラック層等の機械抵抗性、耐薬品性、及び耐熱性のイオン伝導性層を備えたセパレータシステムとを備える。図10Eにおける電気化学セルの全体的な幾何学的形状は、図10B、図10C、及び図10Dに示すものと同様であり、非常に多孔質な層(例えば、≧80%)等の第1低イオン抵抗層をアノードと第1高機械強度層との間に設け、非常に多孔質な層(例えば、≧80%)等の第2低イオン抵抗層を第1高機械強度層と第2高機械強度層との間に設け、非常に多孔質な層(例えば、≧80%)等の第3低イオン抵抗層を第2高機械強度層とカソードとの間に設ける。しかしながら、図10Eの電気化学セルでは、第1高機械強度層は有孔金属層を含み、第2高機械強度層は有孔カプトン層等の有孔電気絶縁層を含む。この実施形態では、有孔金属層及び有孔カプトン層は、デンドライト成長を防止するためのコンプリメンタリな開口パターンを有する。さらに、機械抵抗性、耐薬品性、及び耐熱性のイオン伝導性カーボンブラック層は、カソードに隣接して、場合によってはカソードと電気的に接触且つ/又は物理的に接触して設けられる。 FIG. 10E shows an electrochemical cell having a separator, where the conductive side of the separator adjacent to the anode, for example, stops dendrite growth, reduces anode loss due to moss deposition, etc., and the cathode material is the anode during cycle charging. Provides a schematic diagram that provides a cross-sectional view of an electrochemical cell that reduces anode loss by preventing the electronic contact between the anode particles and the current collector and degrading the performance of the electrochemical cell by moving to To do. For example, the conductive side adjacent to the cathode increases the conductivity of the cathode, resulting in a longer life cycle, greater power and thicker cathode, and a higher energy cathode, and thus a better electrochemical cell. The electrochemical cell includes an anode such as a lithium anode, a cathode such as LiFePO 4 and LiCoO 2 cathodes, two high mechanical strength layers having complementary opening patterns, three low ion resistance layers, and a carbon black layer. And a separator system with a resistive, chemical resistant, and heat resistant ion conductive layer. The overall geometry of the electrochemical cell in FIG. 10E is similar to that shown in FIGS. 10B, 10C, and 10D, with a first such as a very porous layer (eg, ≧ 80%). A low ionic resistance layer is provided between the anode and the first high mechanical strength layer, and a second low ionic resistance layer, such as a very porous layer (eg, ≧ 80%), is provided between the first high mechanical strength layer and the second high mechanical strength layer. A third low ionic resistance layer such as a very porous layer (for example, ≧ 80%) is provided between the second high mechanical strength layer and the cathode. However, in the electrochemical cell of FIG. 10E, the first high mechanical strength layer includes a perforated metal layer and the second high mechanical strength layer includes a perforated electrical insulating layer such as a perforated kapton layer. In this embodiment, the perforated metal layer and the perforated kapton layer have complementary opening patterns to prevent dendrite growth. Furthermore, a mechanical, chemical and heat resistant ion conductive carbon black layer is provided adjacent to the cathode, and possibly in electrical and / or physical contact with the cathode.
図10Fは、セパレータを有する電気化学セルであり、有孔セパレータ板及び多孔質層が、電極間の電気絶縁を提供するが流体電解質(水性又は非プロトン性)を介した電極間のイオン接続を提供することによりセパレータとして働く、電気化学セルの断面図を提供する概略図を提供する。電気化学セルは、ケイ素、Li、Zn、ZnO、黒鉛、又はLTOアノード等のアノードと、LiFePO4、LiCoO2、硫黄、又はAgカソード等のカソードと、コンプリメンタリな開口パターンを有する2つの高機械強度層及び3つの低イオン抵抗層を備えたセパレータシステムとを備える。図10Fに示すように、非常に多孔質な層(例えば、≧80%)等の第1低イオン抵抗層をアノードと第1高機械強度層との間に設け、非常に多孔質な層(例えば、≧80%)等の第2低イオン抵抗層を第1高機械強度層と第2高機械強度層との間に設け、非常に多孔質な層(例えば、≧80%)等の第3低イオン抵抗層を第2高機械強度層とカソードとの間に設ける。図10Fの電気化学セルでは、第1高機械強度層及び第2高機械強度層は独立して、PE又はPPコーティング等の1つ又は複数の絶縁コーティングを有する有孔金属層等の機械抵抗性、耐薬品性、及び耐熱性の電気絶縁層を含む。 FIG. 10F is an electrochemical cell with a separator, where the perforated separator plate and porous layer provide electrical insulation between the electrodes but provide ionic connections between the electrodes via a fluid electrolyte (aqueous or aprotic). A schematic is provided that provides a cross-sectional view of an electrochemical cell that serves as a separator by providing. The electrochemical cell has two high mechanical strengths with complementary opening patterns, such as an anode such as a silicon, Li, Zn, ZnO, graphite, or LTO anode, a cathode such as a LiFePO 4 , LiCoO 2 , sulfur, or Ag cathode. And a separator system with three low ion resistance layers. As shown in FIG. 10F, a first low ionic resistance layer such as a very porous layer (eg, ≧ 80%) is provided between the anode and the first high mechanical strength layer to form a very porous layer ( For example, a second low ionic resistance layer such as ≧ 80%) is provided between the first high mechanical strength layer and the second high mechanical strength layer, and a second layer such as a very porous layer (for example, ≧ 80%) is provided. 3 A low ionic resistance layer is provided between the second high mechanical strength layer and the cathode. In the electrochemical cell of FIG. 10F, the first high mechanical strength layer and the second high mechanical strength layer are independently mechanical resistant, such as a perforated metal layer having one or more insulating coatings, such as PE or PP coatings. Including chemical, and heat resistant electrical insulation layers.
図10Gは、セパレータを有する電気化学セルであり、2つの高機械強度層の形状記憶効果がセパレータと電極との間の非常に良好な機械的接触をもたらす、電気化学セルの断面図を提供する概略図を提供する。電気化学セルは、ケイ素、Li、Zn、ZnO、黒鉛、又はLTOアノード等のアノードと、LiFePO4、LiCoO2、硫黄、又はAgカソード等のカソードと、コンプリメンタリな開口パターンを有する2つの高機械強度層及び3つの低イオン抵抗層を備えたセパレータシステムとを備える。図10Gにおける電気化学セルの全体的な幾何学的形状は、図10Fに示すものと同様であり、非常に多孔質な層(例えば、≧80%)等の第1低イオン抵抗層をアノードと第1高機械強度層との間に設け、非常に多孔質な層(例えば、≧80%)等の第2低イオン抵抗層を第1高機械強度層と第2高機械強度層との間に設け、非常に多孔質な層(例えば、≧80%)等の第3低イオン抵抗層を第2高機械強度層とカソードとの間に設ける。しかしながら、図10Gの電気化学セルでは、第1高機械強度層及び第2高機械強度層は独立して、任意にPE又はPPを塗布した有孔ニチノール層等の形状記憶効果を示す機械抵抗性、耐薬品性、及び耐熱性の電気絶縁層を含む。 FIG. 10G is an electrochemical cell with a separator that provides a cross-sectional view of the electrochemical cell in which the shape memory effect of the two high mechanical strength layers results in very good mechanical contact between the separator and the electrode. A schematic diagram is provided. The electrochemical cell has two high mechanical strengths with complementary opening patterns, such as an anode such as a silicon, Li, Zn, ZnO, graphite, or LTO anode, a cathode such as a LiFePO 4 , LiCoO 2 , sulfur, or Ag cathode. And a separator system with three low ion resistance layers. The overall geometry of the electrochemical cell in FIG. 10G is similar to that shown in FIG. 10F, with a first low ionic resistance layer, such as a very porous layer (eg, ≧ 80%), as the anode. A second low ionic resistance layer such as a very porous layer (for example, ≧ 80%) is provided between the first high mechanical strength layer and the second high mechanical strength layer. And a third low ionic resistance layer, such as a very porous layer (eg, ≧ 80%), is provided between the second high mechanical strength layer and the cathode. However, in the electrochemical cell of FIG. 10G, the first high mechanical strength layer and the second high mechanical strength layer are independently mechanically resistant to a shape memory effect such as a perforated nitinol layer optionally coated with PE or PP. Including chemical, and heat resistant electrical insulation layers.
図10Hは、セパレータを有する電気化学セルであり、2つの高機械強度層の超弾性及び/又は形状記憶効果がセパレータと電極との間の非常に良好な機械的接触をもたらす、電気化学セルの断面図を提供する概略図を提供する。この実施形態の一実施形態では、例えば、高度な電気接触が固体電解質とカソードとの間に設けられる。電気化学セルは、ケイ素、Li、Zn、ZnO、黒鉛、又はLTOアノード等のアノードと、LiFePO4、LiCoO2、硫黄、Ag、炭素−空気、炭素−水カソード等のカソードと、コンプリメンタリな開口パターンを有する2つの高機械強度層、3つの低イオン抵抗層、及びLISICON又はPEO(ポリエチレンオキシド)層等の固体電解質層を備えたセパレータシステムとを備える。図10Hにおける電気化学セルの全体的な幾何学的形状は、図10B、図10C、及び図10Dに示すものと同様であり、非常に多孔質な層(例えば、≧80%)等の第1低イオン抵抗層をアノードと第1高機械強度層との間に設け、非常に多孔質な層(例えば、≧80%)等の第2低イオン抵抗層を第1高機械強度層と第2高機械強度層との間に設け、非常に多孔質な層(例えば、≧80%)等の第3低イオン抵抗層を第2高機械強度層とカソードとの間に設け、LISICON又はPEO層等の固体電解質層を第3低イオン抵抗層とカソードとの間に設けて、イオンをカソード表面に輸送可能であるようにする。しかしながら、図10Hの電気化学セルでは、高機械強度層は、任意にPE又はPPを塗布され得る有孔ニチノール層等の超弾性又は形状記憶効果を有する機械抵抗性、耐薬品性、及び耐熱性の電気絶縁層である。図10Bに関連した説明と同様に、固体電解質層(例えば、LISICON又はPEO層)の組み込みは、カソードの保護、例えば、カソード表面及び固体電解質以外の電解質コンポーネント等の電気化学セルのコンポーネントとの望ましくない化学反応からの保護に有用である。いくつかの実施形態では、固体電解質層(例えば、LISICON層)は、第1電解質を有する電気化学セルの第1側を第1電解質とは異なる第2電解質を有する電気化学セルの第2側から分離する化学障壁層を提供し、したがって、この態様の実施形態は、選択されたアノード組成及びカソード組成にそれぞれ特に合わせた2つの別個の電解質を統合する手段を提供し得る。 FIG. 10H is an electrochemical cell having a separator, where the superelastic and / or shape memory effect of the two high mechanical strength layers results in very good mechanical contact between the separator and the electrode. A schematic diagram providing a cross-sectional view is provided. In one embodiment of this embodiment, for example, a high degree of electrical contact is provided between the solid electrolyte and the cathode. Electrochemical cells include anodes such as silicon, Li, Zn, ZnO, graphite, or LTO anodes, cathodes such as LiFePO 4 , LiCoO 2 , sulfur, Ag, carbon-air, carbon-water cathodes, and complementary opening patterns. Separator system with two high mechanical strength layers having three, three low ionic resistance layers, and a solid electrolyte layer such as a LISICON or PEO (polyethylene oxide) layer. The overall geometry of the electrochemical cell in FIG. 10H is similar to that shown in FIGS. 10B, 10C, and 10D, with the first such as a very porous layer (eg, ≧ 80%). A low ionic resistance layer is provided between the anode and the first high mechanical strength layer, and a second low ionic resistance layer, such as a very porous layer (eg, ≧ 80%), is provided between the first high mechanical strength layer and the second high mechanical strength layer. A third low ionic resistance layer such as a very porous layer (for example, ≧ 80%) provided between the high mechanical strength layer and the second high mechanical strength layer and the cathode, and a LISICON or PEO layer A solid electrolyte layer is provided between the third low ion resistance layer and the cathode so that ions can be transported to the cathode surface. However, in the electrochemical cell of FIG. 10H, the high mechanical strength layer is a mechanical, chemical and heat resistant superelastic or shape memory effect such as a perforated nitinol layer that can optionally be coated with PE or PP. It is an electric insulation layer. Similar to the description associated with FIG. 10B, the incorporation of a solid electrolyte layer (eg, a LIICON or PEO layer) is desirable for cathode protection, eg, with the components of the electrochemical cell such as the cathode surface and electrolyte components other than the solid electrolyte. Useful for protection from chemical reactions. In some embodiments, the solid electrolyte layer (e.g., the LISICON layer) is disposed on the first side of the electrochemical cell having the first electrolyte from the second side of the electrochemical cell having a second electrolyte different from the first electrolyte. Providing a separate chemical barrier layer, embodiments of this aspect may thus provide a means of integrating two separate electrolytes, each tailored specifically to the selected anode and cathode compositions.
図10Iは、セパレータを有する電気化学セルであり、2つの高機械強度層の超弾性及び/又は形状記憶効果がセパレータと電極との間の非常に良好な機械的接触をもたらす、電気化学セルの断面図を提供する概略図を提供する。この態様の一実施形態では、例えば、高度な電気接触が固体電解質とカソードとの間に設けられる。電気化学セルは、ケイ素、Li、Zn、ZnO、黒鉛、又はLTOアノード等のアノードと、LiFePO4、LiCoO2、硫黄、Ag、炭素−空気、炭素−水カソード等のカソードと、コンプリメンタリな開口パターンを有する2つの高機械強度層、3つの低イオン抵抗層、及びLISICON又はPEO層等の固体電解質層を備えたセパレータシステムとを備える。図10Iにおける電気化学セルの全体的な幾何学的形状は、図10B、図10C、及び図10Dに示すものと同様であり、非常に多孔質な層(例えば、≧80%)等の第1低イオン抵抗層をアノードと第1高機械強度層との間に設け、非常に多孔質な層(例えば、≧80%)等の第2低イオン抵抗層を第1高機械強度層と第2高機械強度層との間に設け、非常に多孔質な層(例えば、≧80%)等の第3低イオン抵抗層を第2高機械強度層とカソードとの間に設け、LISICON層等の固体電解質層を第3低イオン抵抗層とカソードとの間に設けて、イオンをカソード表面に輸送可能であるようにする。しかしながら、図10Iの電気化学セルでは、高機械強度層は、有孔形状記憶ポリマー層等の超弾性及び/又は形状記憶効果を示す機械抵抗性、耐薬品性、及び耐熱性の電気絶縁層である。図10Bに関連した説明と同様に、固体電解質層(例えば、LISICON又はPEO層)の組み込みは、カソードの保護、例えば、カソード表面及び固体電解質以外の電解質コンポーネント等の電気化学セルのコンポーネントとの望ましくない化学反応からの保護に有用である。いくつかの実施形態では、固体電解質層(例えば、LISICON又はPEO層)は、第1電解質を有する電気化学セルの第1側を第1電解質とは異なる第2電解質を有する電気化学セルの第2側から分離する化学障壁層を提供し、したがって、選択されたアノード組成及びカソード組成にそれぞれ特に合わせた2つの別個の電解質を統合する手段を提供し得る。 FIG. 10I is an electrochemical cell having a separator, where the superelastic and / or shape memory effect of the two high mechanical strength layers results in very good mechanical contact between the separator and the electrode. A schematic diagram providing a cross-sectional view is provided. In one embodiment of this aspect, for example, a high degree of electrical contact is provided between the solid electrolyte and the cathode. Electrochemical cells include anodes such as silicon, Li, Zn, ZnO, graphite, or LTO anodes, cathodes such as LiFePO 4 , LiCoO 2 , sulfur, Ag, carbon-air, carbon-water cathodes, and complementary opening patterns. A separator system with two high mechanical strength layers having three, three low ionic resistance layers, and a solid electrolyte layer such as a LISICON or PEO layer. The overall geometry of the electrochemical cell in FIG. 10I is similar to that shown in FIGS. 10B, 10C, and 10D, with a first such as a very porous layer (eg, ≧ 80%). A low ionic resistance layer is provided between the anode and the first high mechanical strength layer, and a second low ionic resistance layer, such as a very porous layer (eg, ≧ 80%), is provided between the first high mechanical strength layer and the second high mechanical strength layer. Provided between the high mechanical strength layer and a third low ionic resistance layer such as a very porous layer (for example, ≧ 80%) provided between the second high mechanical strength layer and the cathode, such as a LISICON layer A solid electrolyte layer is provided between the third low ion resistance layer and the cathode so that ions can be transported to the cathode surface. However, in the electrochemical cell of FIG. 10I, the high mechanical strength layer is a mechanical, chemical, and heat resistant electrical insulating layer that exhibits superelastic and / or shape memory effects, such as a porous shape memory polymer layer. is there. Similar to the description associated with FIG. 10B, the incorporation of a solid electrolyte layer (eg, a LIICON or PEO layer) is desirable for cathode protection, eg, with the components of the electrochemical cell such as the cathode surface and electrolyte components other than the solid electrolyte. Useful for protection from chemical reactions. In some embodiments, the solid electrolyte layer (eg, a LISICON or PEO layer) is a second side of an electrochemical cell having a second electrolyte different from the first electrolyte on the first side of the electrochemical cell having the first electrolyte. It provides a chemical barrier layer that separates from the side, and thus can provide a means of integrating two separate electrolytes, each tailored specifically to the selected anode and cathode compositions.
図10Jは、セパレータを有する電気化学セルであり、セパレータの伝導側が、アノード粒子と集電体との間の電子接触を断ち電気化学セルの性能を低下させるサイクル充電時のケイ素の大きな変形等におけるアノード損失を低減する、電気化学セルの断面図を提供する概略図を提供する。電気化学セルは、ケイ素アノード等のアノードと、LiFePO4又はLiCoO2カソード等のカソードと、コンプリメンタリな開口パターンを有する2つの高機械強度層及び3つの低イオン抵抗層を備えたセパレータシステムとを備える。図10Jにおける電気化学セルの全体的な幾何学的形状は、図10Fに示すものと同様であり、非常に多孔質な層(例えば、≧80%)等の第1低イオン抵抗層をアノードと第1高機械強度層との間に設け、非常に多孔質な層(例えば、≧80%)等の第2低イオン抵抗層を第1高機械強度層と第2高機械強度層との間に設け、非常に多孔質な層(例えば、≧80%)等の第3低イオン抵抗層を第2高機械強度層とカソードとの間に設ける。しかしながら、図10Jの電気化学セルでは、第1高機械強度層は、有孔金属層等のアノードに近接して位置決めした機械抵抗性、耐薬品性、及び耐熱性の電気絶縁層を含み、第2高機械強度層は、有孔カプトン層等のカソードに近接して位置決めした機械抵抗性、耐薬品性、及び耐熱性の電気絶縁層を含む。 FIG. 10J shows an electrochemical cell having a separator, in which the conductive side of the separator breaks the electronic contact between the anode particles and the current collector and reduces the performance of the electrochemical cell, etc. 1 provides a schematic diagram that provides a cross-sectional view of an electrochemical cell that reduces anode loss. FIG. The electrochemical cell comprises an anode, such as a silicon anode, a cathode, such as a LiFePO 4 or LiCoO 2 cathode, and a separator system with two high mechanical strength layers and three low ionic resistance layers with complementary opening patterns. . The overall geometry of the electrochemical cell in FIG. 10J is similar to that shown in FIG. 10F, with the first low ionic resistance layer such as a very porous layer (eg, ≧ 80%) as the anode. A second low ionic resistance layer such as a very porous layer (for example, ≧ 80%) is provided between the first high mechanical strength layer and the second high mechanical strength layer. And a third low ionic resistance layer, such as a very porous layer (eg, ≧ 80%), is provided between the second high mechanical strength layer and the cathode. However, in the electrochemical cell of FIG. 10J, the first high mechanical strength layer includes a mechanical, chemical and heat resistant electrical insulating layer positioned proximate to the anode, such as a perforated metal layer, 2 The high mechanical strength layer includes a mechanical, chemical and heat resistant electrical insulation layer positioned proximate to the cathode, such as a perforated Kapton layer.
図10Kは、セパレータを有する電気化学セルであり、アノードに隣接したセパレータの伝導側が、アノード粒子と集電体との間の電子接触を断ち電気化学セルの性能を低下させるサイクル充電時のケイ素の大きな変形等におけるアノード損失を低減する、電気化学セルの断面図を提供する概略図を提供する。この態様の一実施形態では、カソードに隣接した導電側がカソードの導電性を高めることで、より長いライフサイクル、より大きなパワー及びより厚いカソード、及びより高エネルギーのカソード、したがってよりよい電気化学セルを得ることができる。電気化学セルは、ケイ素アノード等のアノードと、LiFePO4又はLiCoO2カソード等のカソードと、コンプリメンタリな開口パターンを有する3つの高機械強度層及び3つの低イオン抵抗層を備えたセパレータシステムとを備える。図10Kに示すように、非常に多孔質な層(例えば、≧80%)等の第1低イオン抵抗層をアノードと第1高機械強度層との間に設け、非常に多孔質な層(例えば、≧80%)等の第2低イオン抵抗層を第1高機械強度層と第2高機械強度層との間に設け、非常に多孔質な層(例えば、≧80%)等の第3低イオン抵抗層を第2高機械強度層と第3高機械強度層との間に設ける。図10Kの電気化学セルでは、アノード及びカソードに近接して位置決めした第1高機械強度層及び第3高機械強度層はそれぞれ、有孔金属層等の機械抵抗性、耐薬品性、及び耐熱性の層を含み、上記第1高機械強度層と第2高機械強度層との間に設けた第2高機械強度層は、有孔カプトン層等の機械抵抗性、耐薬品性、及び耐熱性の電気絶縁イオン伝導性層を含む。 FIG. 10K is an electrochemical cell having a separator, in which the conductive side of the separator adjacent to the anode breaks the electronic contact between the anode particles and the current collector and degrades the performance of the electrochemical cell by reducing the performance of the electrochemical cell. 1 provides a schematic diagram that provides a cross-sectional view of an electrochemical cell that reduces anode loss, such as in large deformations. In one embodiment of this aspect, the conductive side adjacent to the cathode increases the conductivity of the cathode, resulting in a longer life cycle, greater power and thicker cathode, and higher energy cathode, and thus a better electrochemical cell. Obtainable. The electrochemical cell comprises an anode, such as a silicon anode, a cathode, such as a LiFePO 4 or LiCoO 2 cathode, and a separator system with three high mechanical strength layers and three low ionic resistance layers having complementary opening patterns. . As shown in FIG. 10K, a first low ionic resistance layer such as a very porous layer (for example, ≧ 80%) is provided between the anode and the first high mechanical strength layer to form a very porous layer ( For example, a second low ionic resistance layer such as ≧ 80%) is provided between the first high mechanical strength layer and the second high mechanical strength layer, and a second layer such as a very porous layer (for example, ≧ 80%) is provided. 3 A low ion resistance layer is provided between the second high mechanical strength layer and the third high mechanical strength layer. In the electrochemical cell of FIG. 10K, the first high mechanical strength layer and the third high mechanical strength layer positioned in the vicinity of the anode and the cathode are respectively mechanical resistance, chemical resistance, and heat resistance such as a porous metal layer. The second high mechanical strength layer provided between the first high mechanical strength layer and the second high mechanical strength layer includes mechanical resistance, chemical resistance, and heat resistance, such as a perforated kapton layer. An electrically insulating and ionically conductive layer.
図11A及び図11Bは、図2〜図10Aにおける層F等の本発明のいくつかのセパレータシステムの多孔質パターン層の設計の例を提供する。図11A及び図11Bに示す実施形態では、例えば、交互の多孔質領域(点描領域として概略的に示す)及び中実領域(塗りつぶし領域として概略的に示す)がある。これらの実施形態では、層(単数又は複数)Rは、層Fの設計の逆の開口パターンを提供し得る。図11A及び図11Bでは、パターンは、交互の矩形多孔質領域及び中実領域を特徴とする。 11A and 11B provide examples of porous pattern layer designs for some separator systems of the present invention, such as layer F in FIGS. 2-10A. In the embodiment shown in FIGS. 11A and 11B, for example, there are alternating porous regions (shown schematically as stippled regions) and solid regions (shown schematically as filled regions). In these embodiments, the layer (s) R may provide an opening pattern that is the inverse of the design of the layer F. In FIGS. 11A and 11B, the pattern is characterized by alternating rectangular porous regions and solid regions.
高性能の安価な充電式リチウム電池:セパレータ及び電極の設計
これまで知られていた最高エネルギー電池は、安価で非常に高いエネルギー/パワー密度を有する亜鉛及びリチウム等の金属を用いたものである。一方、これらの電池の充電は重大な安全上の危険をもたらす。安全上の問題を緩和する要件は、デンドライト形成、事故、及び熱暴走に抵抗できる非常に頑丈だが導電性の高いセパレータである。
High performance inexpensive rechargeable lithium battery: Separator and electrode design The highest energy batteries known so far use metals such as zinc and lithium that are inexpensive and have very high energy / power density. On the other hand, charging these batteries poses a significant safety hazard. A requirement to mitigate safety concerns is a very robust but highly conductive separator that can resist dendrite formation, accidents, and thermal runaway.
セパレータ及び電極の組み立てに工学的方法を用いて、本実施例のセパレータシステムは、さまざまな電池ケミストリーで安全性、耐久性、パワー及びエネルギー性能の著しい改善をもたらす。本発明の一手法は、電池産業で用いられる最も効率的なケミストリーに工学的知識及び方法を適用することである。本実施例に示すように、本発明は、超安全で高容量のセパレータを作製するための製造し易い方法を提供する。市販のリチウム金属、LiFePO4、及び本セパレータシステムからできているコインセルで、従来のCelgardセパレータに匹敵する導電性、固体の機械的強度、及び−40℃〜200℃の作業温度範囲を実証する。本実施例のセパレータシステムは、Li−イオン、Li−空気、亜鉛−マンガン、又は亜鉛−空気電池の主要部分であり得る。 Using engineering methods for assembling the separator and electrodes, the separator system of this example provides significant improvements in safety, durability, power and energy performance in various battery chemistries. One approach of the present invention is to apply engineering knowledge and methods to the most efficient chemistry used in the battery industry. As shown in this example, the present invention provides an easy-to-manufacture method for making ultra-safe and high-capacity separators. A coin cell made of commercially available lithium metal, LiFePO 4 , and the separator system demonstrates conductivity, solid mechanical strength, and a working temperature range of −40 ° C. to 200 ° C. comparable to conventional Celgard separators. The separator system of this example can be the main part of a Li-ion, Li-air, zinc-manganese, or zinc-air battery.
本発明の特定の態様の目標は、リチウム金属及び亜鉛電池等の既存の再充電不可能な高エネルギーケミストリーの再充電性、安全性、及び高サイクル寿命を改善し、特に実用規模の電池におけるエネルギー蓄積の課題に対する経済的解決を与える高エネルギー充電式金属−空気電池用の高度電気化学システムを提供することである。 The goal of certain aspects of the invention is to improve the rechargeability, safety, and high cycle life of existing non-rechargeable high energy chemistries such as lithium metal and zinc batteries, especially in practical scale batteries. It is to provide an advanced electrochemical system for high energy rechargeable metal-air batteries that provides an economic solution to the accumulation problem.
最新のリチウム電池の多くは、内部短絡を招き得ると共に火災及び爆発を招き得るデンドライト形成を主に理由として、充電可能ではない。同時に、潜在的に高エネルギーアノードとしてのケイ素は、好ましい方向に慎重に成長させた非常に高価なナノシリコン(拡張不可能)を用いなければ、非常に大きな形状変化を起こして集電体との電気接触を失う。多くの異なる電解質及び添加剤が試験され、産業レベルのシステムで有用ではなかった。近年では、さまざまな固体電解質が安全性の向上のために導入されているが、これらは液体電解質−セパレータシステムと比較して桁違いに低い導電性しか有さず、非常に少ないサイクル後に疲労、割れ、及び電極−電解質接点の損失に起因して性能を落とす。 Many modern lithium batteries are not rechargeable primarily due to dendrite formation that can lead to internal short circuits and fire and explosion. At the same time, silicon as a potentially high-energy anode can undergo a very large shape change with the current collector without the use of very expensive nanosilicon (not expandable) carefully grown in the preferred direction. Losing electrical contact. Many different electrolytes and additives have been tested and have not been useful in industrial level systems. In recent years, various solid electrolytes have been introduced to improve safety, but these have orders of magnitude lower conductivity compared to liquid electrolyte-separator systems, and fatigue after very few cycles, Performance is degraded due to cracking and loss of electrode-electrolyte contacts.
新規の拡張可能なプロセスを用いて、本発明の態様は、デンドライト成長に抵抗する機械的に剛性の材料(例えば、1GPaを超える弾性率及び−200℃〜400℃の温度範囲)を有する非常に多孔質なセパレータシステム(例えば、室温で液体電解質に対して10−2S/cm以上の伝導率)を提供する。本セパレータシステムの実施形態は、さまざまなケミストリーで高エネルギー且つ低コストの実用規模の電池を可能にする新たな装置構造を提供する。本セパレータシステムの実施形態は、事故のない輸送機関用電池も提供する。実験結果は、例えば、本セパレータシステムを組み込んだ電池が容量損失なし又は最小限の容量損失で5,000サイクルよりも多くを達成し得ることを示す。さらに、セパレータシステムのいくつかは、現在のリチウム電池製造ですでに用いられている鋳込み及びロールツーロール加工法に容易に組み入れることが可能である。 Using a novel expandable process, embodiments of the present invention have a highly rigid material that resists dendrite growth (e.g., a modulus greater than 1 GPa and a temperature range of -200C to 400C). Provide a porous separator system (eg, a conductivity of 10 −2 S / cm or higher for a liquid electrolyte at room temperature). Embodiments of the separator system provide a new device structure that enables high energy, low cost, practical scale batteries with a variety of chemistries. Embodiments of the separator system also provide transportation batteries that are free of accidents. Experimental results show, for example, that a battery incorporating the separator system can achieve more than 5,000 cycles with no or minimal capacity loss. In addition, some of the separator systems can be easily incorporated into the casting and roll-to-roll processing methods already used in current lithium battery manufacturing.
本発明の特定の実施形態の重要な特徴は、高い導電率及び高い安全性を同時に提供する多層セパレータシステムである。図12は、本発明のセパレータシステムを含む電気化学セルの断面図の概略図を示す。図12に示すように、電気化学セルは、セパレータシステム(5)により相互に分離されたアノード(3)及びカソード(4)を備える。この実施形態では、セパレータシステム(5)は、頑丈な材料を含み開口パターンを有する有孔層(1及び1’)と、フレーム及び/又は非常に多孔質な層(2)とを含む複数の層を備える。セパレータ材料の有孔層の高い弾性率は、デンドライトが障壁を直接貫通するのを防止する。図14は、本発明のセパレータシステムの有孔層で有用な開口パターンの例を提供する。図14に示すように、セパレータシステムの有孔層は円形の開口を有し得る。図14は、デンドライト成長、短絡、及び機械的破損を防止するのに有用な有孔層のコンプリメンタリなパターンも示す。例えば、パネルA及びBは、特定のセパレータシステムのオフセット配列で設けた場合に重ならないコンプリメンタリな開口パターンを提供する。パネルCは、パネルA及びBのパターンの重畳を概略的に示し、これはオフセット配列が開口の重なりをもたらさないことを示す。同様に、パネルF及びGは、特定のセパレータシステムのオフセット配列で設けた場合に重ならないコンプリメンタリな開口パターンを提供する。同様に、パネルH及びIは、特定のセパレータシステムのオフセット配列で設けた場合に重ならないコンプリメンタリな開口パターンを提供する。同様に、パネルJ及びKは、特定のセパレータシステムのオフセット配列で設けた場合に重ならないコンプリメンタリな開口パターンを提供する。同様に、パネルL及びMは、特定のセパレータシステムのオフセット配列で設けた場合に重ならないコンプリメンタリな矩形開口パターンを提供する。 An important feature of certain embodiments of the present invention is a multilayer separator system that simultaneously provides high conductivity and high safety. FIG. 12 shows a schematic diagram of a cross-sectional view of an electrochemical cell including the separator system of the present invention. As shown in FIG. 12, the electrochemical cell comprises an anode (3) and a cathode (4) separated from each other by a separator system (5). In this embodiment, the separator system (5) comprises a plurality of perforated layers (1 and 1 ′) comprising a tough material and having an opening pattern, and a plurality of frames and / or highly porous layers (2). With layers. The high modulus of the perforated layer of separator material prevents dendrites from penetrating the barrier directly. FIG. 14 provides an example of an opening pattern useful in the perforated layer of the separator system of the present invention. As shown in FIG. 14, the perforated layer of the separator system can have a circular opening. FIG. 14 also shows a complementary pattern of perforated layers useful for preventing dendrite growth, short circuits, and mechanical failure. For example, panels A and B provide complementary opening patterns that do not overlap when provided in the offset arrangement of a particular separator system. Panel C schematically shows the overlapping pattern of panels A and B, which indicates that the offset arrangement does not result in overlapping openings. Similarly, panels F and G provide complementary opening patterns that do not overlap when provided with the offset arrangement of a particular separator system. Similarly, panels H and I provide complementary opening patterns that do not overlap when provided with the offset arrangement of a particular separator system. Similarly, panels J and K provide complementary opening patterns that do not overlap when provided with the offset arrangement of a particular separator system. Similarly, panels L and M provide complementary rectangular opening patterns that do not overlap when provided in the offset arrangement of a particular separator system.
有孔層における多数の開口は、セパレータの高伝導率を確実にし、連続した層における孔のオフセット配列は、電極間の直接経路がないことを確実にする。高機械強度層からデンドライトへの力が、デンドライト成長を減速又は停止させる。電気化学セルにおいて、これがセルの性能を大幅に向上させる。図13は、本発明の電気化学セルにおけるデンドライト成長の潜在的軌道を示す概略図を提供する。この図では、デンドライトをアノードからカソードまで延びる曲線として示す。図13に示すように、デンドライトは、有孔層を通過して短絡を引き起こすには複数回曲がらなければならない。厳密に機械的な視点から、リチウムの弾性率(5GPa)は、短い長さ(0.1mm未満)でのデンドライトの連続した湾曲を可能にするには桁違いに高すぎ、直線ビームを曲げるのに必要なエネルギーは、
であり、式中、Eは弾性率、Iは慣性モーメント、及びR(x)は各点における曲率、最後にLは要素の長さである。化学工学的観点から、デンドライトは、動力学的フラストレーションが大きすぎるのでこのような複雑な成長経路を克服できない。コンプリメンタリな開口パターンを有する有孔層を含む層状セパレータシステムは、デンドライト形成を効果的に防止し、したがって短絡を防止する。かかる複合セパレータシステムに必要な材料及び作製法は、本電池作製インフラストラクチャと適合性があり、現在の電池製造への低コストでの組み入れを可能にする。本発明は、非常に遅い充電(例えば、C/10)及び非常に速い放電(例えば、4C)の送電網の負荷平準化に適した、費用効果的で安全な高エネルギーリチウム電池を提供する。本発明は、液体電解質の伝導率、固体電解質の安全性、高サイクル寿命、及び低コストを特徴とする工業的に優しい電池が得られる層状セパレータを作製するプロセスも提供する。
The large number of openings in the perforated layer ensures high conductivity of the separator, and the offset arrangement of holes in the continuous layer ensures that there is no direct path between the electrodes. The force from the high mechanical strength layer to the dendrite slows down or stops the dendrite growth. In electrochemical cells, this greatly improves cell performance. FIG. 13 provides a schematic illustrating potential trajectories of dendrite growth in the electrochemical cell of the present invention. In this figure, the dendrite is shown as a curve extending from the anode to the cathode. As shown in FIG. 13, the dendrite must be bent multiple times to cause a short circuit through the perforated layer. From a strictly mechanical point of view, the modulus of lithium (5 GPa) is orders of magnitude too high to allow continuous bending of dendrites at short lengths (less than 0.1 mm), bending a linear beam. The energy required for
Where E is the modulus of elasticity, I is the moment of inertia, and R (x) is the curvature at each point, and finally L is the length of the element. From a chemical engineering point of view, dendrites cannot overcome such complex growth pathways because of too much dynamic frustration. A layered separator system comprising a perforated layer with a complementary opening pattern effectively prevents dendrite formation and thus prevents short circuits. The materials and fabrication methods required for such composite separator systems are compatible with the present battery fabrication infrastructure and allow for low cost incorporation into current battery manufacturing. The present invention provides a cost effective and safe high energy lithium battery suitable for load leveling in a very slow charge (eg, C / 10) and very fast discharge (eg, 4C) power grid. The present invention also provides a process for making a layered separator that provides an industrially friendly battery characterized by liquid electrolyte conductivity, solid electrolyte safety, high cycle life, and low cost.
本発明の電気化学システムは、プレストレス電極等の加工電極の使用とも適合性がある。リチウム金属は、面外方向に圧縮されると、その表面を均すことによって著しく良好な性能を示す(モスが少なくデンドライトが少ない)。また、ケイ素アノードの面外圧縮は、集電体とのはるかによい接触及びはるかに長いライフサイクルをもたらす。本発明のこの態様は、電極と固体電解質との間の良好な接触を維持し且つサイクル寿命及び性能を向上させることにより、固体電池にも役立ち得る。 The electrochemical system of the present invention is also compatible with the use of working electrodes such as prestressed electrodes. Lithium metal, when compressed in the out-of-plane direction, exhibits significantly better performance by leveling its surface (less moss and less dendrite). Also, out-of-plane compression of the silicon anode results in much better contact with the current collector and a much longer life cycle. This aspect of the invention can also be useful for solid state batteries by maintaining good contact between the electrode and the solid electrolyte and improving cycle life and performance.
本発明の有益な特質をさらに実証するために、複合層セパレータシステムを組み込んだ100個を超えるコインセルを作製して評価した。試験したセパレータのいくつかは、0.025mmのCelgardと比較して、目下0.125mmの厚さであり、C/2で75%の容量を保つ。先端が鈍角の釘及び大電流サイクル充電、300サイクルで55mA/cm2を含む安全性試験で、セパレータシステムが堅牢であり電池が内部短絡を起こさないことが示される。さらに、完全に破壊された5層Celgardセパレータ(0.125mm厚)とは対照的に、数百サイクル後に測定可能な劣化も容量損失もない。本発明は、0.075mmの全厚を有するセパレータシステムを含む。本発明は、400Wh/kgのエネルギー及び5000サイクルの円筒形18650リチウム金属電池の10kWhパックに有用なセパレータシステムの0.025mm厚ロールを含む。 To further demonstrate the beneficial attributes of the present invention, over 100 coin cells incorporating a composite layer separator system were fabricated and evaluated. Some of the tested separators are currently 0.125 mm thick compared to 0.025 mm Celgard and retain 75% capacity at C / 2. Safety tests involving blunt tip nails and high current cycle charging, 55 mA / cm 2 at 300 cycles show that the separator system is robust and the battery does not cause an internal short circuit. Furthermore, in contrast to a fully destroyed 5-layer Celgard separator (0.125 mm thick), there is no measurable degradation or capacity loss after several hundred cycles. The present invention includes a separator system having a total thickness of 0.075 mm. The present invention includes a 0.025 mm thick roll of separator system useful for a 10 kWh pack of cylindrical 18650 lithium metal battery with 400 Wh / kg energy and 5000 cycles.
送電網レベルのエネルギー貯蔵は、現在は揚水によって占められており、現在の蓄電の99%を超えるが、これはごく少数の限られた現場及び用途でしか可能でなく、社会の蓄電需要の高まりに適していない。他の解決手段は大きな欠点を有する。圧縮空気技術は、20%未満という非常に低い繰り返し効率しかない。電気化学キャパシタ及びフライホイールは、非常に低いエネルギー/コスト比を有する。高パワー及び高エネルギーの組み合わせとして用いられるフロー電池は、非常に複雑且つ高価である。現在の電池は、コスト/エネルギー比及びコスト/パワー比(約$1/Wh)も高い。最新の高エネルギーリチウム−金属、金属−空気、及びナノシリコンケミストリーは、前述のような重大な安全上/コスト上の問題を有する。 Grid-level energy storage is currently accounted for by pumping, exceeding 99% of current electricity storage, which is possible in only a few limited sites and applications, and the growing demand for electricity storage in society. Not suitable for. Other solutions have major drawbacks. Compressed air technology has a very low repetition efficiency of less than 20%. Electrochemical capacitors and flywheels have a very low energy / cost ratio. Flow batteries used as a combination of high power and high energy are very complex and expensive. Current batteries also have a high cost / energy ratio and cost / power ratio (approximately $ 1 / Wh). Modern high energy lithium-metal, metal-air, and nanosilicon chemistry have significant safety / cost issues as described above.
いくつかの実施形態では、本発明のセパレータ−電極設計は、現在は安全と考えられず且つ/又は短いサイクル寿命を有する一定範囲の充電式高エネルギーケミストリーを可能にする。工業的な製造法(例えば、CNC、成形、鋳造)を用いて、本発明は、電気化学を工学と組み合わせて最新の電池技術に関する安全性の問題に対処する。高エネルギー電極と組み合わせた本セパレータシステムは、送電網貯蔵用及び同じく電気自動車用に工業規模で安全且つ高サイクル寿命の高エネルギー電池を提供する。 In some embodiments, the separator-electrode design of the present invention allows a range of rechargeable high energy chemistry that is not currently considered safe and / or has a short cycle life. Using industrial manufacturing methods (eg, CNC, molding, casting), the present invention combines electrochemistry with engineering to address the safety issues associated with modern battery technology. The separator system in combination with high energy electrodes provides a high energy battery with industrial scale safety and high cycle life for grid storage and also for electric vehicles.
本システム及び方法は、拡張可能且つ工業的に優しい。セパレータ性能の向上を、本システム及び方法に従ったいくつかの手法で達成することができる。より小さな孔(0.010mm〜0.100mm)を作製し、より薄い層(0.005mm)を用いることによる伝導率の改善は、高性能システムを利用するのに有用な手法である。さらに、必要なオフセット配列の維持、及び境界及び他の選択区域での加熱による層の取り付けを用いて、安全性向上を提供するセパレータシステムを利用することができる。 The system and method is scalable and industrially friendly. Improved separator performance can be achieved in several ways according to the present system and method. Improving conductivity by creating smaller holes (0.010 mm to 0.100 mm) and using thinner layers (0.005 mm) is a useful technique for utilizing high performance systems. In addition, separator systems that provide increased safety can be utilized using maintenance of the required offset alignment and attachment of the layers by heating at the boundaries and other selected areas.
図15は、(A)125ミクロンの全厚を有する本発明の多層セパレータシステム及び(B)25ミクロンの厚さを有するCelgardセパレータを有する電気化学セルのサイクル数の関数としての、充電容量及び放電容量(mAh/g)のプロットを提供する。評価したCR2032コインセルは、Li箔の0.5mm厚アノードと、LiFePO4(0.0142g)カソードと、EC:DEC:DMC(1:1:1)中の1M LiPF6とでできている。電圧限界は3v(放電)及び4v(充電)である。化成、C/24での3サイクル、及びC/2サイクル充電、は、容量の急低下と区別可能である。上の線は、高機械強度層としての2つの有孔カプトン層と低抵抗層としての3つの有孔Celgard2325層とでできたセパレータを示す。下の線は、高機械強度層としての2つの有孔カプトン層と低抵抗層としての3つのCelgard2325層とでできたセパレータを示す。セルは室温で試験する。40サイクル〜50サイクル後に測定可能な容量低下は観察されなかった。図15に示す実験結果は、本セパレータが低抵抗を提供し、したがって一定範囲の電気化学システムと適合性があることを示す。 FIG. 15 illustrates the charge capacity and discharge as a function of cycle number for an electrochemical cell having (A) a multilayer separator system of the present invention having a total thickness of 125 microns and (B) a Celgard separator having a thickness of 25 microns. A plot of capacity (mAh / g) is provided. The evaluated CR 2032 coin cell is made of a 0.5 mm thick Li foil anode, a LiFePO 4 (0.0142 g) cathode, and 1M LiPF 6 in EC: DEC: DMC (1: 1: 1). The voltage limits are 3v (discharge) and 4v (charge). Chemical conversion, 3 cycles at C / 24, and C / 2 cycle charge are distinguishable from a sudden drop in capacity. The upper line shows a separator made of two perforated Kapton layers as high mechanical strength layers and three perforated Celgard 2325 layers as low resistance layers. The bottom line shows a separator made of two perforated Kapton layers as high mechanical strength layers and three Celgard 2325 layers as low resistance layers. The cell is tested at room temperature. No measurable capacity drop was observed after 40-50 cycles. The experimental results shown in FIG. 15 indicate that the separator provides low resistance and is therefore compatible with a range of electrochemical systems.
図16は、(B)従来のセパレータを有する電気化学セルと比較した、(A)本発明の多層セパレータシステム、Li金属アノード、及びLiCoO2カソードを有する電気化学セルのサイクル数の関数としての充電容量及び放電容量(mAh/g)のプロットを提供する。電気化学セルはコインセルであり、C/2の放電率で評価した。評価したCR2032コインセルは、Li箔の0.5mm厚アノードと、LiFePO4の0.1mm厚カソードと、EC:DEC:DMC(1:1:1)中の1M LiPF6とでできている。電圧限界は、3v(放電)及び4.2v(充電)である。化成、C/24での5サイクル、及びC/2サイクル充電は、容量の急低下と区別可能である。赤線(文字Bで示す)1、5、6は、高機械強度層としての2つの有孔カプトン層(直径2mmの孔)と低抵抗層としての3つのCelgard2325層とでできたセルを示す。青線(文字Aで示す)2、3は、2つのCelgard層間に有孔カプトンを設けてできた参照電極を示す。セルは室温で試験する。セルをC/2でサイクル充電させ、次にC/24で数サイクルにわたりサイクル充電させ、次に再度C/2でサイクル充電させた。実験結果は、容量損失がセルにおける化学反応に起因したものではなく、評価した電気化学セルの有孔カプトン層の抵抗に起因したものである可能性が高かったことを示す。図16は、実験条件によってはセルにおいて良好な容量に達するために均一な孔分布、したがってより小さな孔が必要であることを示す。 FIG. 16 shows (B) charging as a function of cycle number for an electrochemical cell with a multilayer separator system of the present invention, a Li metal anode, and a LiCoO 2 cathode, compared to an electrochemical cell with a conventional separator. A plot of capacity and discharge capacity (mAh / g) is provided. The electrochemical cell was a coin cell and was evaluated with a discharge rate of C / 2. The evaluated CR 2032 coin cell is made of a 0.5 mm thick anode of Li foil, a 0.1 mm thick cathode of LiFePO 4 and 1M LiPF 6 in EC: DEC: DMC (1: 1: 1). The voltage limits are 3v (discharge) and 4.2v (charge). Conversion, 5 cycles at C / 24, and C / 2 cycle charging are distinguishable from sudden capacity declines. Red lines (indicated by letter B) 1, 5, 6 indicate cells made of two perforated Kapton layers (2 mm diameter holes) as high mechanical strength layers and three Celgard 2325 layers as low resistance layers . Blue lines (indicated by the letter A) 2 and 3 represent reference electrodes formed by providing a perforated kapton between two Celgard layers. The cell is tested at room temperature. The cell was cycle charged at C / 2, then cycle charged for several cycles at C / 24, and then cycle charged again at C / 2. The experimental results show that the capacity loss was not likely due to the chemical reaction in the cell, but likely due to the resistance of the perforated Kapton layer of the evaluated electrochemical cell. FIG. 16 shows that, depending on the experimental conditions, a uniform pore distribution and thus smaller pores are required to reach good capacity in the cell.
図17は、(B)75ミクロンの厚さを有する従来のセパレータを有する電気化学セル及び(c)25ミクロンの厚さを有するCelgardセパレータと比較した、(A)本発明の多層セパレータシステム、Li金属アノード、及びLiCoO2カソードを有する電気化学セルのサイクル数の関数としての充電容量及び放電容量(mAh/g)のプロットを提供する。電気化学セルはコインセルであり、C/2の放電率で評価した。評価したCR2032コインセルは、Li箔の0.5mm厚アノードと、LiFePO4の0.1mm厚カソードと、EC:DEC:DMC(1:1:1)中の1M LiPF6とからできている。電圧限界は、3v(放電)及び4v(充電)である。化成、C/24での5サイクル、及びC/2サイクル充電は、容量の急低下と区別可能である。線I、Hは、単一Celgard層でできたセルを示す。線A、B、Cは、高機械強度層としての2つの有孔カプトン層と低抵抗層としての3つのCelgard2325層とでできたセパレータを示す。線F及びDは、2つのCelgard層間に有孔カプトン層を設けてできた参照電極を示す。セルは室温で試験した。試験は、セルで高容量に達するために薄いセパレータを有することの重要性を実証する。 FIG. 17 shows (B) an electrochemical cell having a conventional separator having a thickness of 75 microns and (c) a Celgard separator having a thickness of 25 microns. 3 provides a plot of charge capacity and discharge capacity (mAh / g) as a function of cycle number for an electrochemical cell with a metal anode and a LiCoO 2 cathode. The electrochemical cell was a coin cell and was evaluated with a discharge rate of C / 2. The evaluated CR 2032 coin cells consist of a 0.5 mm thick anode of Li foil, a 0.1 mm thick cathode of LiFePO 4 and 1M LiPF 6 in EC: DEC: DMC (1: 1: 1). The voltage limits are 3v (discharge) and 4v (charge). Conversion, 5 cycles at C / 24, and C / 2 cycle charging are distinguishable from sudden capacity declines. Lines I and H show cells made of a single Celgard layer. Lines A, B and C show a separator made of two perforated Kapton layers as high mechanical strength layers and three Celgard 2325 layers as low resistance layers. Lines F and D show a reference electrode made with a perforated Kapton layer between two Celgard layers. The cell was tested at room temperature. The test demonstrates the importance of having a thin separator to reach high capacity in the cell.
図18は、コンプリメンタリな開口パターンを有する3つの高機械強度層を備えた多層セパレータと、アノードと、カソードとを有する本発明の電気化学セルを示す概略図を提供する。図19は、図18に示す多層セパレータを通過するLi+イオンの軌道を示す概略図を提供する。Li+イオンは、図19に示す多層セパレータを効率的に通過可能であるが、デンドライトは同じ軌道をなすことができず、したがって本発明の特定の実施形態では防止される。さらに、高機械強度層からの力が、デンドライト成長を減速又は停止させる。 FIG. 18 provides a schematic diagram illustrating the electrochemical cell of the present invention having a multilayer separator with three high mechanical strength layers having a complementary opening pattern, an anode, and a cathode. FIG. 19 provides a schematic diagram showing the trajectory of Li + ions passing through the multilayer separator shown in FIG. Although Li + ions can efficiently pass through the multilayer separator shown in FIG. 19, dendrites cannot follow the same trajectory and are thus prevented in certain embodiments of the invention. Furthermore, the force from the high mechanical strength layer slows or stops the dendrite growth.
図20は、2つの対称的な(5/9)インチリチウムチップからの定電流リチウムストリッピングに関するサイクル時間(時)に対するセル電圧(V対Li)のプロットを提供する。 FIG. 20 provides a plot of cell voltage (V vs. Li) against cycle time (hours) for constant current lithium stripping from two symmetrical (5/9) inch lithium chips.
図22は、図15の実験に関する電流[アンペア]対時間[秒](上図)及び電圧[v]対時間[秒](下図)のプロットを示す。これは、上部の赤線を示す。 FIG. 22 shows plots of current [ampere] versus time [seconds] (top) and voltage [v] versus time [seconds] (bottom) for the experiment of FIG. This shows the red line at the top.
図23〜図30は、いくつかの実施形態のセパレータシステムで有用な有孔層の写真を提供する。図23は、例えば、異なるセパレータ材料(5−Celgardセパレータ:a)と、大電流で数日間のサイクル充電後の新たなセパレータb)〜d)との写真であり、a)5−Celgardセパレータ(左上〜右下:Li+Celgard、VCelgard、ステンレス鋼集電体)、b)2つの有孔カプトン層間のCelgard層、c)リチウム電極と接触したCelgard、d)有孔カプトンである。図24は、例えば、上)リチウムデンドライトが突き刺さって破壊された通常のセパレータ(Celgard)の写真を提供する。図示のように、セパレータはもはや認識されない。下)リチウムデンドライトは新たなセパレータを貫通できなかった。ここで示すように、新たなセパレータのカプトン層は無傷であるが、カプトン層の右側のCelgardは破壊される。図25及び図26は、例えば、本発明のセパレータシステムで用いるためにレーザ切断で準備した1ミリカプトン膜の写真である。 23-30 provide photographs of perforated layers useful in some embodiments of the separator system. FIG. 23 is a photograph of, for example, different separator materials (5-Celgard separator: a) and new separators b) -d) after several days of cycle charging at high current, a) 5-Celgard separator ( Upper left to lower right: Li + Celgard, VC Gelgard, stainless steel current collector), b) Celgard layer between two perforated Kapton layers, c) Celgard in contact with lithium electrode, d) perforated Kapton. FIG. 24, for example, provides a photograph of a conventional separator (Celgard) where the lithium dendrite was pierced and destroyed. As shown, the separator is no longer recognized. Bottom) The lithium dendrite could not penetrate the new separator. As shown here, the Kapton layer of the new separator is intact, but the Celgard on the right side of the Kapton layer is destroyed. 25 and 26 are photographs of a 1 millikapton film prepared by laser cutting, for example, for use in the separator system of the present invention.
図23は、直径1/2インチの所内作製セルの参照セパレータとしての5つのCelgard層(0.125mm厚)と比較した、高強度層としての2つのカプトン層とそれらに隣接した低抵抗層としての3つのCelgard層とでできた新規セパレータ(0.125mm厚)の層を示す。Celgard2325を用いる。セルは、電極としての0.75mmLi箔と、電解質としてのNovolteからのEC:DEC:DMC(1:1:1)中の1M LiPF6とでできている。カプトン孔はそれぞれ直径2mmである。セルを室温で試験し、アルゴン充填ドライボックス(H2O<0.5ppm)内にて45分充放電サイクルで55mAでサイクル充電させ、(a)参照セパレータは、5−Celgard参照セパレータを示し、セルは短絡し、(b)は新たなセパレータを示し、セルは短絡しない。(b1)新たなセパレータ:リチウム電極と接触したCelgardは重大な損傷を示し、(b2)新たなセパレータ:2つの有孔カプトン層間のCelgardは無傷であり、(b3)新たなセパレータ:有孔カプトンは無傷であり、その構造的完全性を維持し、いかなる短絡も防止する。この図は、多層セパレータがデンドライト短絡を防いで非常に大きな電流でも壊損を防止することができることを示す。図24(縮小)は図23(拡大)と同じである。上及び下のグラフは、各設計の2つの隣接する層を示す。図25〜図30は、カプトンでできた高強度層設計のいくつかの例を示す。孔はレーザ切断で形成する。層のそれぞれのサイズは1/2インチである。孔は直径1mm及び直径2mmである。図21は、電流[ミリアンペア]対時間「時」及び電圧対Li[v]対時間[時]のプロットを提供する。 FIG. 23 shows two Kapton layers as high strength layers and a low resistance layer adjacent to them as compared to five Celgard layers (0.125 mm thick) as reference separators for a ½ inch diameter in-house fabricated cell. A layer of a new separator (0.125 mm thick) made of three Celgard layers. Celgard 2325 is used. The cell is made of 0.75 mm Li foil as the electrode and 1M LiPF 6 in EC: DEC: DMC (1: 1: 1) from Novolte as the electrolyte. Each Kapton hole is 2 mm in diameter. The cell was tested at room temperature and cycle charged at 55 mA in a 45 minute charge / discharge cycle in an argon filled dry box (H 2 O <0.5 ppm), (a) reference separator indicates a 5-Celgard reference separator; The cell is short-circuited, (b) shows a new separator, and the cell is not short-circuited. (B1) New separator: Celgard in contact with the lithium electrode shows severe damage, (b2) New separator: Celgard between the two perforated Kapton layers is intact, (b3) New separator: Perforated Kapton Is intact, maintains its structural integrity and prevents any short circuit. This figure shows that the multilayer separator can prevent dendrite short-circuiting and prevent damage even at very high currents. FIG. 24 (reduction) is the same as FIG. 23 (enlargement). The top and bottom graphs show two adjacent layers for each design. Figures 25-30 show some examples of high strength layer designs made of Kapton. The hole is formed by laser cutting. The size of each layer is 1/2 inch. The holes are 1 mm in diameter and 2 mm in diameter. FIG. 21 provides plots of current [mA] versus time “hours” and voltage versus Li [v] versus time [hours].
多層セパレータシステムを有するリチウム電池
本実施例は、本発明の多層セパレータシステムを備えたリチウム電池の例の説明を提供する。
Lithium batteries present embodiment having a multilayer separator system provides a description of an example of a lithium battery having a multilayer separator system of the present invention.
実施例A:本実施例では、それぞれ25マイクロメートル厚の2つのカプトン膜層をセパレータシステムに用いる。各層には、それぞれ直径1mmであり壁間の距離を1mmとしたデカルト(垂直−水平)周期孔を穿孔する。25マイクロメートルのCelgard層を、2つのカプトン層間に配置する。25マイクロメートルのCelgard層を、各カプトン層と隣接電極との間に配置する。電極はLiCoO2及びリチウム金属膜である。電解質は、EC−DMC−PC−DMEの組み合わせ中のLiPF6である。 Example A: In this example, two Kapton membrane layers, each 25 micrometers thick, are used in the separator system. Each layer is perforated with Cartesian (vertical-horizontal) periodic holes each having a diameter of 1 mm and a distance between the walls of 1 mm. A 25 micrometer Celgard layer is placed between the two Kapton layers. A 25 micrometer Celgard layer is placed between each Kapton layer and the adjacent electrode. The electrodes are LiCoO 2 and a lithium metal film. The electrolyte is LiPF 6 in the EC-DMC-PC-DME combination.
実施例B:本実施例では、それぞれ25マイクロメートル厚の2つのカプトン膜層をセパレータシステムに用いる。各層には、それぞれ直径1mmであり壁間の距離を1mmとしたデカルト(垂直−水平)周期孔を穿孔してセパレータシステムに用いる。25マイクロメートルのCelgard層を、2つのカプトン層間に配置する。25マイクロメートルのCelgard層を、各カプトン層と隣接電極との間に配置する。電極はLiCoO4及びリチウム金属膜である。電解質は、EC−DMC−PC−DMEの組み合わせ中のLiPF6である。 Example B: In this example, two Kapton membrane layers, each 25 micrometers thick, are used in the separator system. Each layer is formed with a Cartesian (vertical-horizontal) periodic hole having a diameter of 1 mm and a distance between walls of 1 mm for use in the separator system. A 25 micrometer Celgard layer is placed between the two Kapton layers. A 25 micrometer Celgard layer is placed between each Kapton layer and the adjacent electrode. The electrodes are LiCoO 4 and a lithium metal film. The electrolyte is LiPF 6 in the EC-DMC-PC-DME combination.
実施例C:本実施例では、それぞれ25マイクロメートル厚の2つのカプトン膜層をセパレータシステムに用いる。各層には、それぞれ直径1mmであり壁間の距離を1mmとしたデカルト(垂直−水平)周期孔を穿孔し、セパレータシステムに用いる。25マイクロメートル厚でそれぞれ1/8インチの3つの孔を有する有孔Celgard層を、2つのカプトン層間に配置する。25マイクロメートル厚でそれぞれ1/8インチの3つの孔を有する有孔Celgard層を、各カプトン層と隣接電極との間に配置する。電極はLiCoO4及びリチウム金属膜である。電解質は、EC−DMC−PC−DMEの組み合わせ中のLiPF6である。 Example C: In this example, two Kapton membrane layers, each 25 micrometers thick, are used in the separator system. Each layer is perforated with Cartesian (vertical-horizontal) periodic holes each having a diameter of 1 mm and a distance between walls of 1 mm, and is used in a separator system. A perforated Celgard layer, 25 holes thick and 3 holes each 1/8 inch, is placed between the two Kapton layers. A perforated Celgard layer having three holes each of 25 micrometers thickness and 1/8 inch is placed between each Kapton layer and the adjacent electrode. The electrodes are LiCoO 4 and a lithium metal film. The electrolyte is LiPF 6 in the EC-DMC-PC-DME combination.
実施例D:本実施例では、それぞれ25マイクロメートル厚で直径3/4インチの2つのカプトン膜層をセパレータシステムに用いる。各層には、それぞれ直径1mmであり壁間の距離を1mmとしたデカルト(垂直−水平)周期孔を穿孔する。25マイクロメートル厚のCelgardリングを、2つのカプトン層間に配置する。25マイクロメートル厚で外径3/4インチ及び内径1/2インチのCelgardリングを、各カプトン層と隣接電極との間に配置する。電極はLiCoO4及びリチウム金属膜である。電解質は、EC−DMC−PC−DMEの組み合わせ中のLiPF6である。 Example D: In this example, two Kapton membrane layers, each 25 micrometers thick and 3/4 inch in diameter, are used in the separator system. Each layer is perforated with Cartesian (vertical-horizontal) periodic holes each having a diameter of 1 mm and a distance between the walls of 1 mm. A 25 micrometer thick Celgard ring is placed between the two Kapton layers. A Celgard ring, 25 micrometers thick, 3/4 inch outside diameter and 1/2 inch inside diameter, is placed between each Kapton layer and the adjacent electrode. The electrodes are LiCoO 4 and a lithium metal film. The electrolyte is LiPF 6 in the EC-DMC-PC-DME combination.
実施例E:本実施例では、それぞれ25マイクロメートル厚で直径3/4インチの2つのカプトン膜層をセパレータシステムに用いる。各層には、それぞれ直径1mmであり壁間の距離を1mmとしたデカルト(垂直−水平)周期孔を穿孔する。5マイクロメートル厚のCelgardリングを、2つのカプトン層間に配置する。5マイクロメートル厚で外径3/4インチ及び内径1/2インチのCelgardリングを、各カプトン層と隣接電極との間に配置する。電極はLiCoO4及びリチウム金属膜である。電解質は、EC−DMC−PC−DMEの組み合わせ中のLiPF6である。 Example E: In this example, two Kapton membrane layers, each 25 micrometers thick and 3/4 inch in diameter, are used in the separator system. Each layer is perforated with Cartesian (vertical-horizontal) periodic holes each having a diameter of 1 mm and a distance between the walls of 1 mm. A 5 micrometer thick Celgard ring is placed between the two Kapton layers. A Celgard ring, 5 micrometers thick, 3/4 inch outside diameter and 1/2 inch inside diameter, is placed between each Kapton layer and the adjacent electrode. The electrodes are LiCoO 4 and a lithium metal film. The electrolyte is LiPF 6 in the EC-DMC-PC-DME combination.
実施例F:本実施例では、それぞれ5マイクロメートル厚の2つのステンレス鋼層を用いる。鋼層には、非常に薄い電気絶縁層を塗布する(ここでは、1マイクロメートル厚のテフロン、カプトンも用いることができる)。各層には、それぞれ直径0.5mmであり壁間の距離を0.5mmとしたデカルト(垂直−水平)周期孔を穿孔する。5マイクロメートルのCelgard層を、2つのステンレス鋼層間に配置する。5マイクロメートルのCelgard層を、各ステンレス鋼層と隣接電極との間に配置する。電極は、LiCoO4及びリチウム金属膜である。電解質は、EC−DMC−PC−DMEの組み合わせ中のLiPF6である。 Example F: In this example, two stainless steel layers, each 5 micrometers thick, are used. A very thin electrical insulating layer is applied to the steel layer (here, 1 micrometer thick Teflon or Kapton can also be used). Each layer is provided with Cartesian (vertical-horizontal) periodic holes each having a diameter of 0.5 mm and a distance between walls of 0.5 mm. A 5 micrometer Celgard layer is placed between two stainless steel layers. A 5 micrometer Celgard layer is placed between each stainless steel layer and the adjacent electrode. The electrodes are LiCoO 4 and a lithium metal film. The electrolyte is LiPF 6 in the EC-DMC-PC-DME combination.
実施例G:本実施例では、それぞれ5マイクロメートル厚で直径3/4インチの2つのカプトン膜層をセパレータシステムに用いる。各層には、それぞれ直径1mmであり壁間の距離を1mmとしたデカルト(垂直−水平)周期孔を穿孔する。5マイクロメートル厚のCelgardリングを、2つのカプトン層間に配置する。5マイクロメートル厚で外径3/4インチ及び内径1/2インチのCelgardリングを、リチウム金属膜アノードに隣接したカプトン層とLi電極との間に配置する。25マイクロメートル厚で直径3/4インチのLISICON層を、第2カプトンと空気炭素電極との間に配置する。LISICONのLi側の電解質は、EC−DMC−PC−DMEの組み合わせ中のLiPF4である。LISICONの空気カソード側の電解質は、水性電解質である。 Example G: In this example, two Kapton membrane layers, each 5 micrometers thick and 3/4 inch in diameter, are used in the separator system. Each layer is drilled with Cartesian (vertical-horizontal) periodic holes each having a diameter of 1 mm and a distance between walls of 1 mm. A 5 micrometer thick Celgard ring is placed between the two Kapton layers. A Celgard ring, 5 micrometers thick, 3/4 inch outer diameter and 1/2 inch inner diameter, is placed between the Kapton layer adjacent to the lithium metal film anode and the Li electrode. A 25 micrometer thick and 3/4 inch diameter LISICON layer is placed between the second Kapton and the air carbon electrode. The electrolyte on the Li side of LISICON is LiPF 4 in the EC-DMC-PC-DME combination. The electrolyte on the air cathode side of LISICON is an aqueous electrolyte.
実施例H:本実施例では、それぞれ5マイクロメートル厚で直径3/4インチの2層のPE膜をセパレータシステムに用いる。各層には、それぞれ直径0.1mmであり壁間の距離を0.1mmとしたデカルト(垂直−水平)周期孔を穿孔する。25マイクロメートル厚で直径3/4インチのLISICON層を、第2PEと空気炭素カソードとの間に配置する。LISICONのLi側の電解質は、EC−DMC−PC−DMEの組み合わせ中のLiPF6である。LISICONの空気カソード側の電解質は、水性電解質である。 Example H: In this example, two PE films, each 5 micrometers thick and 3/4 inch in diameter, are used in the separator system. Each layer is formed with Cartesian (vertical-horizontal) periodic holes each having a diameter of 0.1 mm and a distance between the walls of 0.1 mm. A 25 micrometer thick 3/4 inch diameter LISICON layer is placed between the second PE and the air carbon cathode. The electrolyte on the Li side of LISICON is LiPF 6 in the EC-DMC-PC-DME combination. The electrolyte on the air cathode side of LISICON is an aqueous electrolyte.
実施例I:本実施例では、それぞれ5マイクロメートル厚の2つのステンレス鋼層を用いる。鋼層には、内面(近くの電極に面しない側)に非常に薄い電気絶縁層(ここでは、1マイクロメートル厚のテフロン)を塗布する。各層には、それぞれ直径0.1mmであり壁間の距離を0.1mmとしたデカルト(垂直−水平)周期孔を穿孔する。5マイクロメートルのCelgard層を、2つのステンレス鋼層間に配置する。5マイクロメートルのCelgard層を、各ステンレス鋼層と隣接電極との間に配置する。電極は、部分的にリチウム化したSi及び部分的にリチウム化した硫黄である。このセパレータを備えた電池は、より長いサイクル寿命及びより高い充放電(パワー)率を示すと予想される。 Example I: In this example, two stainless steel layers, each 5 micrometers thick, are used. The steel layer is coated with a very thin electrical insulation layer (here 1 micrometer thick Teflon) on the inner surface (the side not facing the nearby electrode). Each layer is formed with Cartesian (vertical-horizontal) periodic holes each having a diameter of 0.1 mm and a distance between the walls of 0.1 mm. A 5 micrometer Celgard layer is placed between two stainless steel layers. A 5 micrometer Celgard layer is placed between each stainless steel layer and the adjacent electrode. The electrodes are partially lithiated Si and partially lithiated sulfur. Batteries with this separator are expected to exhibit longer cycle life and higher charge / discharge (power) rates.
実施例J:本実施例では、それぞれ5マイクロメートル厚の2つのステンレス鋼層を用いる。鋼層には、内面(近くの電極に面しない側)に1マイクロメートル厚テフロンの非常に薄い電気絶縁層と、外面(近くの電極に面する側)に1マイクロメートル厚のポリエチレングリコールとを塗布する。各層には、それぞれ直径0.1mmであり壁間の距離を0.1mmとしたデカルト(垂直−水平)周期孔を穿孔する。5マイクロメートルのセルロースセパレータ層を、2つのステンレス鋼層間に配置する。5マイクロメートルのセルロースセパレータ層を、各ステンレス鋼層と隣接電極との間に配置する。電極は、Li金属及び硫黄である。ポリエチレングリコールコーティングが電池のサイクル寿命を延ばすと予想される。 Example J: In this example, two stainless steel layers, each 5 micrometers thick, are used. The steel layer has a very thin electrical insulation layer of 1 micrometer thick Teflon on the inner surface (side not facing the nearby electrode) and 1 micrometer thick polyethylene glycol on the outer surface (side facing the nearby electrode). Apply. Each layer is formed with Cartesian (vertical-horizontal) periodic holes each having a diameter of 0.1 mm and a distance between the walls of 0.1 mm. A 5 micrometer cellulose separator layer is placed between two stainless steel layers. A 5 micrometer cellulose separator layer is placed between each stainless steel layer and the adjacent electrode. The electrodes are Li metal and sulfur. Polyethylene glycol coatings are expected to extend battery cycle life.
実施例K:本実施例では、それぞれ5マイクロメートル厚で直径3/4インチの2つのカプトン膜層を、セパレータシステムに用いる。各層には、それぞれ直径0.1mmであり壁間の距離を0.1mmとしたデカルト(垂直−水平)周期孔を穿孔する。5マイクロメートル厚のCelgardリングを、2つのカプトン層間に配置する。5マイクロメートル厚で外径3/4インチ及び内径1/2インチのCelgardリングを、各カプトン層と隣接電極との間に配置する。電極は、亜鉛アノード及び炭素系空気カソードである。電解質は、6M KOH水溶液である。 Example K: In this example, two Kapton membrane layers, each 5 micrometers thick and 3/4 inch in diameter, are used in the separator system. Each layer is formed with Cartesian (vertical-horizontal) periodic holes each having a diameter of 0.1 mm and a distance between the walls of 0.1 mm. A 5 micrometer thick Celgard ring is placed between the two Kapton layers. A Celgard ring, 5 micrometers thick, 3/4 inch outside diameter and 1/2 inch inside diameter, is placed between each Kapton layer and the adjacent electrode. The electrodes are a zinc anode and a carbon-based air cathode. The electrolyte is a 6M KOH aqueous solution.
実施例L:本実施例では、それぞれ5マイクロメートル厚で直径3/4インチの2つのPP膜層を、セパレータシステムに用いる。各層には、それぞれ直径0.1mmであり壁間の距離を0.1mmとしたデカルト(垂直−水平)周期孔を穿孔する。電極は、亜鉛アノード及び炭素系空気カソードである。電解質は、6M KOH水溶液である。 Example L: In this example, two PP membrane layers, each 5 micrometers thick and 3/4 inch in diameter, are used in the separator system. Each layer is formed with Cartesian (vertical-horizontal) periodic holes each having a diameter of 0.1 mm and a distance between the walls of 0.1 mm. The electrodes are a zinc anode and a carbon-based air cathode. The electrolyte is a 6M KOH aqueous solution.
実施例M:本実施例では、それぞれ5マイクロメートル厚で直径3/4インチの2つのカプトン膜層を、セパレータシステムに用いる。各層には、それぞれ直径0.1mmで壁間の距離を0.1mmとして、それぞれ多孔度が40%であり重ね合わせると孔パターンの重なりが5%未満となる任意の孔パターンを穿孔する。5マイクロメートル厚のCelgardリングを、2つのカプトン層間に配置する。5マイクロメートル厚で外径3/4インチ及び内径1/2インチのCelgardリングを、各カプトン層と隣接電極との間に配置する。電極は、亜鉛アノード及び炭素系空気カソードである。電解質は、6M KOH水溶液である。 Example M: In this example, two Kapton membrane layers, each 5 micrometers thick and 3/4 inch in diameter, are used in the separator system. Each layer is perforated with an arbitrary hole pattern having a diameter of 0.1 mm and a distance between walls of 0.1 mm, with a porosity of 40% and an overlap of the hole patterns of less than 5% when overlapped. A 5 micrometer thick Celgard ring is placed between the two Kapton layers. A Celgard ring, 5 micrometers thick, 3/4 inch outside diameter and 1/2 inch inside diameter, is placed between each Kapton layer and the adjacent electrode. The electrodes are a zinc anode and a carbon-based air cathode. The electrolyte is a 6M KOH aqueous solution.
実施例N:本実施例では、それぞれ25マイクロメートル厚で直径3/4インチの2つのカプトン膜層を、セパレータシステムに用いる。各層には、それぞれ直径1mmで壁間の距離を1mmとして、それぞれ多孔度が40%であり重ね合わせると孔パターンの重なりが5%未満となる任意の孔パターンを穿孔する。25マイクロメートル厚のCelgardリングを、2つのカプトン層間に配置する。25マイクロメートル厚で外径3/4インチ及び内径1/2インチのCelgardリングを、各カプトン層と隣接電極との間に配置する。電極は、LiFePO4及びリチウム金属膜である。電解質は、EC−DMC−PC−DMEの組み合わせ中のLiPF6である。 Example N: In this example, two Kapton membrane layers, each 25 micrometers thick and 3/4 inch in diameter, are used in the separator system. Each layer is perforated with an arbitrary hole pattern in which the diameter is 1 mm and the distance between the walls is 1 mm, the porosity is 40%, and the overlap of the hole patterns is less than 5% when overlapped. A 25 micrometer thick Celgard ring is placed between the two Kapton layers. A Celgard ring, 25 micrometers thick, 3/4 inch outside diameter and 1/2 inch inside diameter, is placed between each Kapton layer and the adjacent electrode. The electrodes are LiFePO 4 and a lithium metal film. The electrolyte is LiPF 6 in the EC-DMC-PC-DME combination.
実施例O:本実施例では、それぞれ5マイクロメートル厚で直径3/4インチの2つのカプトン膜層を、セパレータシステムに用いる。各層には、それぞれ直径0.01mmで壁間の距離を0.01mmとしたデカルト(垂直−水平)周期孔を穿孔する。5マイクロメートル厚のCelgardリングを、2つのカプトン層間に配置する。5マイクロメートル厚で外径3/4インチ及び内径1/2インチのCelgardリングを、各カプトン層と隣接電極との間に配置する。電極は、LiFePO4及びリチウム金属膜である。電解質は、EC−DMC−PC−DMEの組み合わせ中のLiPF6である。 Example O: In this example, two Kapton membrane layers, each 5 micrometers thick and 3/4 inch in diameter, are used in the separator system. Each layer is provided with Cartesian (vertical-horizontal) periodic holes each having a diameter of 0.01 mm and a distance between walls of 0.01 mm. A 5 micrometer thick Celgard ring is placed between the two Kapton layers. A Celgard ring, 5 micrometers thick, 3/4 inch outside diameter and 1/2 inch inside diameter, is placed between each Kapton layer and the adjacent electrode. The electrodes are LiFePO 4 and a lithium metal film. The electrolyte is LiPF 6 in the EC-DMC-PC-DME combination.
実施例P:本実施例では、それぞれ5マイクロメートル厚で直径3/4インチの2つのカプトン膜層を、セパレータシステムに用いる。各層には、それぞれ直径0.001mmで壁間の距離を0.001mmとしたデカルト(垂直−水平)周期孔を穿孔する。5マイクロメートル厚のCelgardリングを、2つのカプトン層間に配置する。5マイクロメートル厚で外径3/4インチ及び内径1/2インチのCelgardリングを、各カプトン層と隣接電極との間に配置する。電極は、LiFePO4及びリチウム金属膜である。電解質は、EC−DMC−PC−DMEの組み合わせ中のLiPF6である。 Example P: In this example, two Kapton membrane layers, each 5 micrometers thick and 3/4 inch in diameter, are used in the separator system. Each layer is perforated with Cartesian (vertical-horizontal) periodic holes each having a diameter of 0.001 mm and a distance between walls of 0.001 mm. A 5 micrometer thick Celgard ring is placed between the two Kapton layers. A Celgard ring, 5 micrometers thick, 3/4 inch outside diameter and 1/2 inch inside diameter, is placed between each Kapton layer and the adjacent electrode. The electrodes are LiFePO 4 and a lithium metal film. The electrolyte is LiPF 6 in the EC-DMC-PC-DME combination.
実施例Q:層を、各側の外側部分等のいくつかの区域でPEO及びPvDFにより相互に取り付けた場合の、上記実施例のいずれかと同じである。 Example Q: Same as any of the above examples, where the layers are attached to each other by PEO and PvDF in several areas such as the outer part on each side.
実施例Rは、LISICONが5マイクロメートルであり、リチウム−空気セルの空気カソード側でカプトン層に堆積させた場合の、実施例Gに相当する。 Example R corresponds to Example G when the LISICON is 5 micrometers and deposited on the Kapton layer on the air cathode side of the lithium-air cell.
別の実施例では、多孔質パターン層は、以下の物理的寸法、組成、及び機械的特性を有する。
・厚さ:125ミクロン、75ミクロン、50ミクロン、又は25ミクロン
・引張強度:150MPa等方的(Celgard:15MPA TD(横方向);150MPA MD(縦方向))
・多孔度:45%
・弾性率:2GPa
・降伏強度:50MPa
・密度:約1.3g/cm3
・MIT耐折強度:10000サイクル
・エルメンドルフ引裂強度:0.1N
・グレーブス引裂強度:15N
・衝撃強度:50N.cm
・150℃で30分の収縮:0.2(Celgard:5%〜10%)
・絶縁耐力ASTM D−149−91:250V/m
・誘電率:3.5
・熱膨張率:20ppm/℃
In another example, the porous pattern layer has the following physical dimensions, composition, and mechanical properties.
Thickness: 125 microns, 75 microns, 50 microns, or 25 microns Tensile strength: 150 MPa isotropic (Celgard: 15MPA TD (transverse direction); 150MPA MD (longitudinal direction))
・ Porosity: 45%
-Elastic modulus: 2 GPa
・ Yield strength: 50 MPa
Density: about 1.3 g / cm 3
-MIT bending strength: 10,000 cycles-Elmendorf tear strength: 0.1 N
・ Graves tear strength: 15N
-Impact strength: 50N. cm
・ Shrinkage for 30 minutes at 150 ° C .: 0.2 (Celgard: 5% to 10%)
-Dielectric strength ASTM D-149-91: 250 V / m
-Dielectric constant: 3.5
-Thermal expansion coefficient: 20 ppm / ° C
これらの特性を有する多孔質パターン層を有する多層セパレータを備えた電気化学セルが、有用な性能特性を示す。ハーフセル[コインセル]:例えば、LiFePO4|LP71|LiをC/5で200サイクル後に試験した場合、容量はC/2mAh/g〜120mAh/gで約140mAh/gであった。外圧を用いた力−変位試験は、セルが短絡しないが機能を停止したことを示した。C/2で300サイクル後のセパレータシステムの解析は、劣化が皆無かそれに近いことを示し、セパレータシステムを別のセルで用いることができた。 An electrochemical cell with a multilayer separator having a porous pattern layer having these properties exhibits useful performance characteristics. Half cell [coin cell]: For example, when LiFePO 4 | LP71 | Li was tested after 200 cycles at C / 5, the capacity was about 140 mAh / g from C / 2 mAh / g to 120 mAh / g. A force-displacement test using external pressure showed that the cell did not short but stopped functioning. Analysis of the separator system after 300 cycles at C / 2 showed no or near degradation and the separator system could be used in another cell.
表1及び表2は、本発明の特定の実施形態の高機械強度層及びセパレータシステムの物理的寸法及び特性の要約を提供する。 Tables 1 and 2 provide a summary of the physical dimensions and properties of the high mechanical strength layer and separator system of certain embodiments of the present invention.
セパレータの抵抗率を、1M LiPF6 EC:EMC(容量で30:70)中で試験した。電気化学評価のために、Al−Al電極を有する1/2インチコインセル電気化学セルを用いてセパレータを特性化した。セパレータは、それぞれ25μm厚のcelgard/有孔カプトン/celgard/有孔カプトン/celgardとして作製される。 The resistivity of the separator was tested in 1M LiPF 6 EC: EMC (30:70 by volume). For electrochemical evaluation, the separator was characterized using a 1/2 inch coin cell electrochemical cell with an Al-Al electrode. The separators are made as celgard / porous kapton / celgard / porous kapton / celgard, each 25 μm thick.
被覆金属メッシュを備えたセパレータ
いくつかの態様では、本発明のセパレータシステムは、外部絶縁コーティングを有する金属メッシュ等の被覆金属層である1つ又は複数の多孔質パターン層を備える。この態様の実施形態は、電池の寿命を大幅に延ばすのに有益である。一実施形態では、例えば、金属メッシュ(Al、ニッケル、銅、ステンレス鋼)は、非常に広い温度範囲にわたって非常に高い機械的強度を有し、金属セパレータは、セルの温度を均一化してセルの安全性及び寿命を大幅に向上させる熱伝導材料である。一実施形態では、セパレータの微多孔質層は、PTFEを塗布したアルミニウムメッシュ層(例えば、Alメッシュ、40%開口:それぞれ5マイクロメートルの3層又はそれぞれ1/3ミルの2層)であり、一実施形態では、Al層にPTFEを、例えば各側を2マイクロメートル厚で塗布する。別の実施形態では、アノードに隣接したAl層のみを被覆する。別の実施形態では、Al層を被覆し、側面を電極に接触して設ける。
Separator With Coated Metal Mesh In some embodiments, the separator system of the present invention comprises one or more porous pattern layers that are a coated metal layer, such as a metal mesh with an outer insulating coating. Embodiments of this aspect are beneficial for greatly extending battery life. In one embodiment, for example, a metal mesh (Al, nickel, copper, stainless steel) has a very high mechanical strength over a very wide temperature range, and a metal separator equalizes the cell temperature to It is a heat conductive material that greatly improves safety and life. In one embodiment, the microporous layer of the separator is an aluminum mesh layer coated with PTFE (eg, Al mesh, 40% opening: 3 layers of 5 micrometers each or 2 layers of 1/3 mil each), In one embodiment, PTFE is applied to the Al layer, eg, 2 micrometers thick on each side. In another embodiment, only the Al layer adjacent to the anode is coated. In another embodiment, the Al layer is coated and the side is provided in contact with the electrode.
[参照による援用及び変形形態に関する記載]
本願を通した引用文献、例えば発行又は付与された特許又は等価物を含む特許文献、特許出願公開、及び非特許文献又は他の資料は、各引用文献が本願の開示と少なくとも部分的に矛盾しない程度に参照により個別に援用されるように、それらの全体を参照により本明細書に援用する(例えば、部分的に矛盾する引用文献は、その引用文献の部分的に矛盾する部分以外を参照により引用する)。
[Description of Incorporation by Reference and Variations]
Cited references throughout the application, for example, patent documents, patent applications published, and non-patent documents, including other patents or equivalents issued or granted, or other sources, are not at least partially inconsistent with the disclosure of the present application. The entire contents of which are hereby incorporated by reference as if individually incorporated by reference to the extent (for example, a partially inconsistent cited reference is by reference other than a partially inconsistent part of the cited reference). (Quote).
本明細書で用いた用語及び表現は、限定用語ではなく説明用語として用いるものであり、かかる用語及び表現の使用には、図示及び説明した特徴の等価物又はその一部を除外する意図はなく、さまざまな変更形態が特許請求される発明の範囲内で可能であることが認識される。したがって、本発明は好適な実施形態、例示的な実施形態、及び任意の特徴により具体的に開示されているが、本明細書に開示した概念の変更及び変形が当業者に用いられ得ること、及びかかる変更形態及び変形形態が添付の特許請求の範囲により定義される本発明の範囲内にあると考えられることを理解すべきである。本明細書に記載した具体的な実施形態は、本発明の有用な実施形態の例であり、本明細書に記載の装置、装置コンポーネント、方法ステップの多数の変形形態を用いて本発明を実行できることが、当業者には明らかとなるであろう。当業者には自明のように、本方法に有用な方法及び装置は、多数の任意の組成及び加工要素及びステップを含むことができる。 The terms and expressions used herein are intended as explanatory terms, not as restrictive terms, and use of such terms and expressions is not intended to exclude equivalents or portions of the features shown and described. It will be appreciated that various modifications are possible within the scope of the claimed invention. Thus, although the present invention is specifically disclosed by preferred embodiments, exemplary embodiments, and optional features, modifications and variations of the concepts disclosed herein can be used by those skilled in the art. It should be understood that such modifications and variations are considered to be within the scope of the present invention as defined by the appended claims. The specific embodiments described herein are examples of useful embodiments of the invention, and the invention may be implemented using numerous variations of the devices, device components, and method steps described herein. It will be apparent to those skilled in the art that this can be done. As will be apparent to those skilled in the art, methods and apparatus useful in the present methods can include a number of optional compositions and processing elements and steps.
本明細書で述べた全ての特許及び広報は、本発明が属する当業者のレベルを示す。本明細書で挙げた引用文献は、場合によってはその出願日の時点での最高水準を示すためにそれらの全体を参照により本明細書に援用され、この情報を、必要であれば本明細書中で用いて、従来技術である具体的な実施形態を除外する(例えば、放棄する)ことができることが意図される。例えば、化合物を特許請求する場合、本明細書に開示した引用文献(特に、引用特許文献)に開示されている特定の化合物を含む当該技術分野で既知の化合物は、特許請求の範囲に含まれることが意図されないことを理解すべきである。 All patents and publications mentioned in the specification are indicative of the levels of those skilled in the art to which this invention pertains. The references cited herein are hereby incorporated herein by reference in their entirety to indicate the highest level as of the date of filing, and this information is referred to herein if necessary. It is intended that the specific embodiments that are prior art can be excluded (eg, abandoned) as used in. For example, when claiming a compound, compounds known in the art, including certain compounds disclosed in the cited references (particularly cited patent references) disclosed herein, are included in the claims. It should be understood that this is not intended.
置換基群が本明細書に開示されている場合、置換基を用いて形成することができるこれらの群及び全てのサブグループ及びクラスの全構成員が別個に開示されることを理解されたい。マーカッシュ群又は他の分類が本明細書で用いられている場合、群の全構成員及びその群で可能な全ての組み合わせ及びサブコンビネーションが本開示に個別に含まれることが意図される。本明細書で用いられる場合、「及び/又は」は、「及び/又は」により分離される一覧中の事項の1つ、全て、又は任意の組み合わせがその一覧に含まれることを意味し、例えば、「1、2、及び/又は3」は、「『1』又は『2』又は『3』又は『1及び2』又は『1及び3』又は『2及び3』又は『1、2、及び3』」に相当する。 When substituent groups are disclosed herein, it should be understood that all members of these groups and all subgroups and classes that can be formed using the substituents are disclosed separately. Where Markush groups or other classifications are used herein, it is intended that this disclosure individually include all members of the group and all possible combinations and subcombinations of that group. As used herein, “and / or” means that the list includes one, all, or any combination of items in the list separated by “and / or”, eg , “1, 2 and / or 3” means “1” or “2” or “3” or “1 and 2” or “1 and 3” or “2 and 3” or “1, 2, and 3 ””.
別段の記載の無い限り、説明又は例示した構成要素の全ての配合又は組み合わせを用いて本発明を実施することができる。当業者が同じ材料を異なる名称で呼び得ることが知られているように、具体的な材料名は例示のためのものである。当業者であれば、具体的に例示したもの以外の方法、装置要素、出発材料、及び合成法を、過度の実験に頼らずに本発明の実施に用いることができる。かかる方法、装置要素、出発材料、及び合成法の全ての従来技術で既知の機能的等価物が、本発明に含まれることが意図される。例えば温度範囲、時間範囲、又は組成範囲といった範囲が本明細書で与えられている場合は常に、その所与の範囲に含まれる全ての中間範囲及び部分範囲並びに個々の値が、本開示に含まれることが意図される。 Unless stated otherwise, the invention can be practiced using any combination or combination of components described or exemplified. As it is known that one skilled in the art may refer to the same material under different names, the specific material names are for illustration. Those skilled in the art can use methods, equipment elements, starting materials, and synthetic methods other than those specifically exemplified in the practice of the present invention without undue experimentation. All prior art known functional equivalents of such methods, equipment elements, starting materials, and synthetic methods are intended to be included in the present invention. Whenever a range is given herein, for example a temperature range, a time range, or a composition range, all intermediate and subranges and individual values included in that given range are included in this disclosure. Is intended.
本明細書及び添付の特許請求の範囲で用いられる場合、単数形は文脈で別段の明示がない限り複数への言及を含むことに留意しなければならない。したがって、例えば、「セル」に言及している場合、当業者に既知の複数のかかるセル又はその等価物を含む。同様に、用語「1つの、」「1つ又は複数の、」及び「少なくとも1つの」は、本明細書において交換可能に用いることができる。用語「備える、」「含む、」及び「有する」を交換可能に用いることができることにも留意されたい。「請求項XX〜YYのいずれか」(ここで、XX及びYYは請求項の番号を指す)という表現は、代替形態の複数の従属請求項を提供することを意図し、いくつかの実施形態では、「請求項XX〜YYのいずれか1項に記載の」と交換可能である。 It should be noted that as used in this specification and the appended claims, the singular forms include the plural reference unless the context clearly dictates otherwise. Thus, for example, reference to “a cell” includes a plurality of such cells known to those skilled in the art or equivalents thereof. Similarly, the terms “one,” “one or more,” and “at least one” can be used interchangeably herein. It should also be noted that the terms “comprising”, “including”, and “having” can be used interchangeably. The expression “any of claims XX to YY” (where XX and YY refer to claim numbers) is intended to provide alternative forms of the dependent claims, and some embodiments Then, it can be exchanged for “described in any one of claims XX to YY”.
別段の定義のない限り、本明細書で用いられる全ての技術用語及び科学用語は、本発明が属する技術分野の当業者が一般的に理解するのと同じ意味を有する。本明細書に記載のものと同様又は同等の任意の方法及び材料を、本発明の実施又は試験で用いることができ、好適な方法及び材料がここでは記載されている。本明細書中のいかなる記載も、先行発明を理由として本発明がかかる開示に先行するものではないことを認めたと解釈するものではない。 Unless defined otherwise, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Any methods and materials similar or equivalent to those described herein can be used in the practice or testing of the present invention, and suitable methods and materials are now described. Nothing herein is to be construed as an admission that the invention is not an antecedent of such disclosure due to prior inventions.
例えば整数範囲、温度範囲、時間範囲、組成範囲、又は濃度範囲といった範囲が本明細書で与えられている場合は常に、その所与の範囲に含まれる全ての中間範囲及び部分範囲並びに個々の値が、本開示に含まれることが意図される。本明細書で用いられる場合、範囲は、その範囲の端点値として与えられる値を具体的に含む。本明細書で用いられる場合、範囲は、その範囲の全ての整数値を具体的に含む。例えば、1〜100の範囲は、1及び100の端点値を具体的に含む。本明細書の記載に含まれる範囲又は部分範囲における任意の部分範囲又は個々の値が、本明細書の特許請求の範囲から除外され得ることを理解されたい。 Whenever a range, such as an integer range, a temperature range, a time range, a composition range, or a concentration range, is given herein, all intermediate and subranges contained within that given range and individual values Are intended to be included in this disclosure. As used herein, a range specifically includes the value given as the endpoint value of the range. As used herein, a range specifically includes all integer values in the range. For example, a range of 1-100 specifically includes 1 and 100 endpoint values. It should be understood that any subranges or individual values in a range or subrange that are included in the description herein can be excluded from the claims herein.
本明細書で用いられる場合、「備える」は、「含む、」「含有する、」又は「特徴とする」と同義であり、包括的又は非限定的であり、付加的で記載のない要素又は方法ステップを除外しない。本明細書で用いられる場合、「からなる」は、クレーム構成要件で指定されないいかなる要素、ステップ、又は成分も除外する。本明細書で用いられる場合、「から本質的になる」は、請求項の基本的且つ新規の特徴に実質的に影響しない材料又はステップを除外しない。本明細書における、特に組成物の成分の説明又は装置の要素の説明における用語「備える」の記載は、記載の構成要素又は要素から本質的になる、また記載の構成要素又は要素からなる組成物及び方法を包含すると理解される。本明細書に例示的に記載した発明は、本明細書に具体的に開示されていない要素や制限がなくても適切に実施することができる。 As used herein, “comprising” is synonymous with “including,” “including,” or “characterizing” and is inclusive or non-limiting and includes any additional, undescribed elements or Do not exclude method steps. As used herein, “consisting of” excludes any element, step, or ingredient not specified in the claim component. As used herein, “consisting essentially of” does not exclude materials or steps that do not materially affect the basic and novel characteristics of the claim. In this specification, in particular the description of the term “comprising” in the description of the components of the composition or in the description of the elements of the device consists essentially of the described component or element, and also consists of the described component or element. And methods. The invention exemplarily described in the present specification can be appropriately implemented without any elements or limitations not specifically disclosed in the present specification.
使用した用語及び表現は、限定用語ではなく説明用語として用いるものであり、かかる用語及び表現の使用には、図示及び説明した特徴の等価物又はその一部を除外する意図はなく、さまざまな変更形態が特許請求の発明の範囲内で可能であることが認識される。したがって、本発明は好適な実施形態及び任意の特徴により具体的に開示されているが、本明細書に開示した概念の変更及び変形が当業者に用いられ得ること、及びかかる変更形態及び変形形態が添付の特許請求の範囲により定義される本発明の範囲内にあると考えられることを理解すべきである。 The terms and expressions used are intended to be explanatory terms rather than restrictive terms, and the use of such terms and expressions is not intended to exclude equivalents or portions of the features shown and described and is subject to various modifications. It will be appreciated that configurations are possible within the scope of the claimed invention. Thus, although the present invention has been specifically disclosed by preferred embodiments and optional features, modifications and variations of the concepts disclosed herein can be used by those skilled in the art, and such variations and variations Is to be considered within the scope of the invention as defined by the appended claims.
100 多層セパレータシステム
102 高機械強度層
104 開口
106 オフセット破線区域
108 矢印
110 点
112 開口の重複領域
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Multi-layer separator system 102 High mechanical strength layer 104 Opening 106 Offset broken line area 108 Arrow 110 Point 112 Overlapping area of opening
Claims (19)
第1高機械強度層であり、該第1高機械強度層を貫通して第1パターンで設けた複数の開口を有する第1高機械強度層と、
第2高機械強度層であり、該第2高機械強度層を貫通して第2パターンで設けた複数の開口を有し、前記第2パターンは、(a)前記第1高機械強度層から前記第2高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った前記第1高機械強度層の前記開口と前記第2高機械強度層の前記開口との重なりがないように前記第1パターンに対してオフセット配列を有するか、又は、(b)前記第1高機械強度層から前記第2高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った前記第1高機械強度層の前記開口と前記第2高機械強度層の前記開口との重なりが0%より大きく5%以下であるように前記第1パターンに対してオフセット配列を有する第2高機械強度層と
を備え、前記第1高機械強度層及び前記第2高機械強度層は、前記第1高機械強度層及び前記第2高機械強度層に接触して設けた電解質のイオンを前記第1高機械強度層及び前記第2高機械強度層を通して輸送可能であるように位置決めされ、
前記第1高機械強度層及び前記第2高機械強度層の少なくとも1つは、少なくとも、金属又はセラミックからなり、
前記第1高機械強度層及び前記第2高機械強度層は、独立して、エルメンドルフ引裂強度0.005N〜10Nの範囲で選択される引裂強度及びグレーブス引裂強度10N〜500Nの範囲で選択される初期引裂強度を有し、
前記初期引裂強度は、最初に引き裂きが形成されるときの引き裂きに対する抵抗を指し、
前記引裂強度は、引き裂きが形成された後に、引き裂きを拡張するときの引き裂きに対する抵抗を指す、セパレータシステム。 A separator system for an electrochemical system,
A first high mechanical strength layer, the first high mechanical strength layer having a plurality of openings provided in a first pattern through the first high mechanical strength layer;
A second high mechanical strength layer, having a plurality of openings provided in a second pattern penetrating through the second high mechanical strength layer, wherein the second pattern is (a) from the first high mechanical strength layer With respect to the first pattern, there is no overlap between the opening of the first high mechanical strength layer and the opening of the second high mechanical strength layer along an axis extending vertically to the second high mechanical strength layer. (B) the opening of the first high mechanical strength layer and the second high machine along an axis extending perpendicularly from the first high mechanical strength layer to the second high mechanical strength layer. A second high mechanical strength layer having an offset arrangement with respect to the first pattern such that an overlap of the strength layer with the opening is greater than 0% and 5% or less, and the first high mechanical strength layer and the first layer The second high mechanical strength layer includes the first high mechanical strength layer and the second high mechanical strength layer. Is positioned ions of the electrolyte provided in contact with the strength layer so as to be transported through the first high mechanical strength layer and the second high mechanical strength layer,
The first at least one of the high mechanical strength layer and the second high mechanical strength layer, at least, Ri Do of metal or ceramic,
The first high mechanical strength layer and the second high mechanical strength layer are independently selected in the range of Elmendorf tear strength in the range of 0.005N to 10N and Graves tear strength in the range of 10N to 500N. Has initial tear strength,
The initial tear strength refers to the resistance to tear when a tear is first formed,
The separator system , wherein the tear strength refers to resistance to tearing when the tear is expanded after the tear is formed .
前記低イオン抵抗層は、独立して、20Ωcm2以下のイオン抵抗を有する、セパレータシステム。 The separator system according to claim 1, further comprising one or more low ion resistance layers provided on at least one side of the first high mechanical strength layer and the second high mechanical strength layer,
The separator system wherein the low ion resistance layer independently has an ion resistance of 20 Ωcm 2 or less.
前記1つ又は複数のコーティングは、非導電性コーティングである、セパレータシステム。 The separator system according to claim 1, further comprising one or more coatings provided on any of the first high mechanical strength layer and the second high mechanical strength layer,
The separator system, wherein the one or more coatings are non-conductive coatings.
正電極と、
前記正電極と前記負電極との間に設けた第1電解質と、
前記第1電解質と接触して前記負電極と前記正電極との間に設けたセパレータシステムとを備えた電気化学セルであって、
前記セパレータシステムは、前記第1電解質のイオンを前記正電極と前記負電極との間で輸送可能であるよう位置決めされ、
前記セパレータシステムは、
(i)第1高機械強度層であり、該第1高機械強度層を貫通して第1パターンで設けた複数の開口を有する第1高機械強度層と、
(ii)第2高機械強度層であり、該第2高機械強度層を貫通して第2パターンで設けた複数の開口を有し、前記第2パターンは、(a)前記第1高機械強度層から前記第2高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った前記第1高機械強度層の前記開口と前記第2高機械強度層の前記開口との重なりがないように前記第1パターンに対してオフセット配列を有するか、又は、(b)前記第1高機械強度層から前記第2高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った前記第1高機械強度層の前記開口と前記第2高機械強度層の前記開口との重なりが0%より大きく20%以下であるように前記第1パターンに対してオフセット配列を有する、第2高機械強度層と
を備え、前記第1高機械強度層及び前記第2高機械強度層は、前記第1電解質のイオンを前記第1高機械強度層及び前記第2高機械強度層を通して輸送可能であるように位置決めされ、
前記第1高機械強度層及び前記第2高機械強度層の少なくとも1つは、少なくとも、金属又はセラミックからなり、
前記第1高機械強度層及び前記第2高機械強度層は、独立して、エルメンドルフ引裂強度0.005N〜10Nの範囲で選択される引裂強度及びグレーブス引裂強度10N〜500Nの範囲で選択される初期引裂強度を有し、
前記初期引裂強度は、最初に引き裂きが形成されるときの引き裂きに対する抵抗を指し、
前記引裂強度は、引き裂きが形成された後に、引き裂きを拡張するときの引き裂きに対する抵抗を指す、電気化学セル。 A negative electrode;
A positive electrode;
A first electrolyte provided between the positive electrode and the negative electrode;
An electrochemical cell comprising a separator system in contact with the first electrolyte and provided between the negative electrode and the positive electrode;
The separator system is positioned to transport ions of the first electrolyte between the positive electrode and the negative electrode;
The separator system includes:
(I) a first high mechanical strength layer, the first high mechanical strength layer having a plurality of openings provided in a first pattern through the first high mechanical strength layer;
(Ii) a second high mechanical strength layer having a plurality of openings provided in a second pattern penetrating through the second high mechanical strength layer, wherein the second pattern comprises: (a) the first high mechanical strength layer The first pattern so that there is no overlap between the opening of the first high mechanical strength layer and the opening of the second high mechanical strength layer along an axis extending vertically from the strength layer to the second high mechanical strength layer Or (b) the opening of the first high mechanical strength layer along an axis extending perpendicularly from the first high mechanical strength layer to the second high mechanical strength layer and the first A second high mechanical strength layer having an offset arrangement with respect to the first pattern so that an overlap of the high mechanical strength layer with the opening is greater than 0% and not more than 20%, the first high machine The strength layer and the second high mechanical strength layer are configured to absorb ions of the first electrolyte. Is positioned so as to be transported through the serial first high mechanical strength layer and the second high mechanical strength layer,
The first at least one of the high mechanical strength layer and the second high mechanical strength layer, at least, Ri Do of metal or ceramic,
The first high mechanical strength layer and the second high mechanical strength layer are independently selected in the range of Elmendorf tear strength in the range of 0.005N to 10N and Graves tear strength in the range of 10N to 500N. Has initial tear strength,
The initial tear strength refers to the resistance to tear when a tear is first formed,
The tear strength refers to a resistance to tear when expanding a tear after the tear is formed .
固体アルカリ金属及び溶媒中に溶解したアルカリ金属を燃料として含む再生可能なアノードと、
固定の電子伝導コンポーネント、アルカリ金属のイオン用の電解質を含むイオン伝導性コンポーネント及び前記電池の動作環境から得られる流体酸化剤を含むカソード構造と、
前記アノードと前記カソード構造との間に設けられるセパレータシステムと
を備え、
前記セパレータシステムは、
(i)第1高機械強度層であり、該第1高機械強度層を貫通して第1パターンで設けた複数の開口を有する第1高機械強度層と、
(ii)第2高機械強度層であり、該第2高機械強度層を貫通して第2パターンで設けた複数の開口を有し、前記第2パターンは、(a)前記第1高機械強度層から前記第2高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った前記第1高機械強度層の前記開口と前記第2高機械強度層の前記開口との重なりがないように前記第1パターンに対してオフセット配列を有するか、又は、(b)前記第1高機械強度層から前記第2高機械強度層まで垂直に延びる軸に沿った前記第1高機械強度層の前記開口と前記第2高機械強度層の前記開口との重なりが0%より大きく20%以下であるように前記第1パターンに対してオフセット配列を有する、第2高機械強度層と
を備え、前記第1高機械強度層及び前記第2高機械強度層は、前記電解質のイオンを前記第1高機械強度層及び前記第2高機械強度層を通して輸送可能であるように位置決めされ、
前記第1高機械強度層及び前記第2高機械強度層の少なくとも1つは、少なくとも、金属又はセラミックからなり、
前記第1高機械強度層及び前記第2高機械強度層は、独立して、エルメンドルフ引裂強度0.005N〜10Nの範囲で選択される引裂強度及びグレーブス引裂強度10N〜500Nの範囲で選択される初期引裂強度を有し、
前記初期引裂強度は、最初に引き裂きが形成されるときの引き裂きに対する抵抗を指し、
前記引裂強度は、引き裂きが形成された後に、引き裂きを拡張するときの引き裂きに対する抵抗を指す、アルカリ金属燃料電池。 An alkaline metal fuel cell,
A renewable anode comprising as a fuel a solid alkali metal and an alkali metal dissolved in a solvent;
A cathode structure comprising a stationary electronic conducting component, an ion conducting component comprising an electrolyte for alkali metal ions, and a fluid oxidant obtained from the operating environment of the cell;
A separator system provided between the anode and the cathode structure;
The separator system includes:
(I) a first high mechanical strength layer, the first high mechanical strength layer having a plurality of openings provided in a first pattern through the first high mechanical strength layer;
(Ii) a second high mechanical strength layer having a plurality of openings provided in a second pattern penetrating through the second high mechanical strength layer, wherein the second pattern comprises: (a) the first high mechanical strength layer The first pattern so that there is no overlap between the opening of the first high mechanical strength layer and the opening of the second high mechanical strength layer along an axis extending vertically from the strength layer to the second high mechanical strength layer Or (b) the opening of the first high mechanical strength layer along an axis extending perpendicularly from the first high mechanical strength layer to the second high mechanical strength layer and the first A second high mechanical strength layer having an offset arrangement with respect to the first pattern so that an overlap of the high mechanical strength layer with the opening is greater than 0% and not more than 20%, the first high machine The strength layer and the second high mechanical strength layer are formed by the electrolyte ions. 1 is positioned so as to be transported through the high mechanical strength layer and the second high mechanical strength layer,
The first at least one of the high mechanical strength layer and the second high mechanical strength layer, at least, Ri Do of metal or ceramic,
The first high mechanical strength layer and the second high mechanical strength layer are independently selected in the range of Elmendorf tear strength in the range of 0.005N to 10N and Graves tear strength in the range of 10N to 500N. Has initial tear strength,
The initial tear strength refers to the resistance to tear when a tear is first formed,
The tear strength refers to an alkali metal fuel cell that refers to a resistance to tearing when the tear is expanded after the tear is formed .
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